Лекция № 7. Источники тока на биполярных и полевых

МОП-ТРАНЗИСТОРАХ.

МОП-ТРАНЗИСТОРЫ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ

План

1. Введение

2. Источники тока на биполярных транзисторах.

3. Источники тока на полевых транзисторах.

4. Основные тенденции в технологии изготовления ИС на полевых транзисторах.

5. Теоретическое обобщение.

1. Введение.

При проектировании усилительных устройств нередко возникает необходимость в источниках тока или напряжения, близких по своим параметрам к идеальным. Создать идеальный источник тока или напряжения невозможно, но создать источники практически с неплохими показателями ─ это реально. Например, в таком источнике тока нуждается схема дифференциального усилителя (раздел 3, лекция 9). Вообще, это прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, для использования в качестве активной нагрузки для усилителей с большим коэффициентом усиления, в генераторах пилообразного напряжения. Диапазон использования источников тока не ограничивается только электроникой: их используют , например в электрохимии, Для создания таких источников используются как биполярные, так и полевые транзисторы.

2. Источники тока на биполярных транзисторах.

Чтобы построить источник постоянного тока на биполярном транзисторе, обратимся к его коллекторной вольтамперной характеристике (рис.7.1 а) и к обобщённой схеме генератора тока на рис.7.1.б.

На ВАХ транзистора просматриваются два участка ─ крутой (FD) и пологий (DE). В пределах FD в транзисторе идут переходные процессы, связанные с постепенным увеличением обратного напряжения на коллекторном переходе. В точке «D» на участке «коллектор-эмиттер» переходе устанавливается, примерно равное напряжению на участке «база-эмиттер» (при этом напряжение на участке «коллектор-база» равно нулю). Транзистор из режима двойной инжекции переходит в активный режим. Дальнейшее увеличение напряжения на коллекторе, при постоянстве тока базы, не вызывает заметного приращения тока коллектора. Следовательно, в схеме источника тока на биполярном транзисторе последний должен работать в активном режиме, и его рабочая точка будет лежать на пологом участке ВАХ; построенная нагрузочная характеристика при пересечении со статической ВАХ должна обеспечивать положение РТ на пологом участке (DE).

а) б)

Рис.7.1.

После такого анализа ВАХ приходим к выводу, что сопротивление нагрузки R_н должно удовлетворять неравенству

(7.1)

где

─ это напряжение, которое соответствует заданному току I_бп.

Таким образом, если заданы напряжение питания и базовый ток, то, воспользовавшись уравнением (7.1), можно определить диапазон изменения сопротивления нагрузки, в котором транзистор можно будет использовать как источник тока.

О том, насколько изменится выходной ток при изменении нагрузки в диапазоне (7.1) можно судить, воспользовавшись h-параметрами.

Наклон выходной характеристики, снятой при постоянном токе базы, определяется выходной проводимостью ─ h_22э. По ВАХ транзистора (рис.7. 1.а) в пределах пологого участка «DE» видно, что проводимость при заданном токе базы практически почти постоянна. На основании этого изменение коллекторного тока можно определить из выражения

(5,2)

Так как сопротивление обратносмещённого коллекторного перехода значительно больше сопротивления нагрузки, то величина h_22э в пределах пологого участка ВАХ транзистора очень мала, поэтому изменения коллекторного тока для всего диапазона изменения сопротивления нагрузки (7.1) не будут превышать нескольких процентов. В таком случае, схему рис.7.1 можно использовать как источник тока, параметры которого близки к идеальным.

Ток коллектора в активном режиме транзистора связан с током базы через статический коэффициент передачи тока базы «β»

Следовательно, чтобы изменения коллекторного тока были сведены к минимуму, ток базы должен быть строго постоянным. Постоянство базового тока ─ эта основная проблема при создании источника тока.

Рис.7.2

Изменения коллекторного тока за счёт эффекта Эрли конечно же будут, но эти изменения мало заметны. Поэтому уделим основное внимание постоянству базового тока. Обратимся к входной характеристике транзистора в схеме с ОЭ (рис.7.2).

Из характеристики видно, что ток базы задан напряжением смещения U_бэп, следовательно, постоянство базового тока и коллекторного токов может обеспечить строго постоянное напряжение смещения U_бэп. Таким образом, если мы обеспечим стабилизацию напряжения U_бэп, то базовый и коллекторный ток будут оставаться практически постоянными.

Для стабилизации напряжения смещения на базе можно использовать нелинейный элемент, который под действием тока изменяет внутреннее сопротивление и, таким образом, напряжение на его зажимах остаётся постоянным. Входная ВАХ транзистора и ВАХ полупроводникового диода одинаковы, следовательно, даже температурные изменения напряжения эмиттерного перехода транзистора будут скомпенсированы изменениями напряжения диода. Схема с такой стабилизацией смещения на базе дана на рис.7.3.

Рис.7.3.

Рис.7.4.

В схеме использован диод в прямосмещённом состоянии. Ток через диод задаётся элементом смещения R₁.

Показатели схемы источника на рис. 7.3 можно улучшить, если ввести в схему ООС. Схема источника тока с элементом ООС дана на рис.7.4. В новой схеме полупроводниковый диод заменён на опорный диод (стабилитрон): при введении элемента ООС (R_э). напряжение смещения на базе уменьшилось, и для его увеличения был добавлен источник постоянного напряжения на стабилитроне. Выходной ток источника тока определяется следующим образом

Основное требование к стабилитрону в схеме ─ ТКН стабилитрона должен компенсировать температурные изменения параметров транзистора.