Вопросы к АКР1 по дисциплине «Микросхемотехника»

6. Основные элементы схемотехники АИС

Генератор стабильного тока широко используется в интегральной схемотехнике. Генератор стабильного тока (ГСТ) - это схема, формирующая выходной ток, величина которого постоянна и не зависит от сопротивления нагрузки и напряжения питания. Идеальный ГСТ имеет бесконечно большое выходное сопротивление.

3.1.1 Простейший генератор тока

Простейший генератор тока - это резистор с большим сопротивлением (рис. 15.1,а), к которому приложено довольно высокое и стабильное напряжение U₀ и включено сопротивление нагрузка R_н. Ток этой цепи

Рисунок 3.1 Простейший генератор тока

.

Если выполняется условие R₀ >> R_н, то ток I₀ в нагрузке будет определяться сопротивлением R₀

.

Недостатками этой схемы являются необходимость высокой величины напряжения U₀ и его стабильности, большая мощность, рассеиваемая на резисторе R₀ , большое сопротивление резистора R₀ и вследствие этого большая площадь, занимаемая резистором R₀ на кристалле микросхемы.

3.1.2 Транзисторный генератор тока

В качестве ГСТ чаще используют схемы, на основе биполярных транзисторов, работающих на пологом участке выходных характеристик.

Рисунок 3.2 Генератор стабильного тока на транзисторе: а – электрическая схема; б – выходные ВАХ

.

Обычно α₀ ≈ 1, I_К0(R₁ + R_Э) << U_ИП - U*, R_б(1 - α₀) << R_Э.

Поэтому можно считать

Из последнего выражения следует, что ток коллектора I_К не зависит

• от напряжения на коллекторе U_КЭ и

• от сопротивления нагрузки R_Н.

Это верно пока транзистор находится в активном режиме работы и не переходит в режим насыщения, то есть выполняется условие

U_К ≥ U_Э + 0,2 В.

Недостатки схемы.

Зависимость тока I_К от напряжения U_К. Изменение напряжения на коллекторе U_К вследствие влияния эффекта Эрли вызывает изменение β и U*. Выходное сопротивление R₀ ≠ ∞.

Температурный дрейф выходного тока I_К. Для кремниевых БТ преобладающим источником нестабильности является зависимость U* от температуры. Температурная чувствительность для p-n – переходов составляет

Температурная нестабильность токов эмиттера и коллектора

3.1.3 Гст „токовое зеркало”

Для ослабления температурной зависимости в базовую цепь БТ дополнительно включают p-n – переход, согласованный с переходом база – эмиттер БТ. На рис. 3.3 изображена схема ГСТ, которая носит название „токовое зеркало” или „отражатель тока”. Она состоит из согласованных транзисторов VT1 и VT2, токозадающего резисторов R1, R0 и нагрузки Н. Коллектор и база транзистора VT1 соединены между собой.

По цепи резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT1 и резистор R0 течет ток I₁, который имеет величину

,

где U^* =0,6 В - падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1.

Полагая, что I_б2 << I₁ можно записать

U_б2 = U*₁ + I₁ R₁ = U*₂ + I₀ R₂

Если резисторы R1 и R2 не сильно отличаются по величине, то

U*₁ = U*₂ = U*.

Определим величину тока I₀

Рисунок 3.3 Генератор стабильного тока типа „отражатель тока”

Ток I₁ задает напряжение U_бэ1 на переходе база-эмиттер транзистора VT1. Но переходы база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 включены параллельно, поэтому U_бэ2=U_бэ1. Вследствие этого задается и режим работы транзистора VT2, отдающего в нагрузки коллекторный ток I₀, который равен току I₁. Небольшие базовые токи транзисторов можно не учитывать.

При условии R1 = R2 получаем I₀ = I₁.

Задание величины U*₁ транзистора VT1 в соответствии с заданным током устанавливает режим и ток транзистора VT2.

Ток в нагрузке повторяет (отражает) ток, который протекает в цепи R0, R1 и VT1.

Температурная стабильность тока i0.

Стабильность тока I₀ определяется стабильностью тока I₁ и стабильностью отношения резисторов R1/R2. Эти резисторы имеют одинаковый ТКС и их влияние на температурную стабильность незначительно.

Оценим влияние температурную нестабильность тока I_1.

Обычно делают R0>>R1 и температурная зависимость токов ослабляется приблизительно на порядок.

Эту или более сложные аналогичные схемы широко используют при проектировании интегральных микросхем, в которых имеется много согласованных транзисторов и схема должна работать в широком диапазоне напряжения питания.

Рисунок 15.9 – Спрощена схема операційного підсилювача