ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА РАЗЛИЧНОЙ ТОПОЛОГИИ

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра БТС

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Тема: Изучение работы источников тока различной топологии

Студент гр. 7501		Исаков А.О.
Преподаватель		Анисимов А.А.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: ознакомиться с основными схемами источников тока различной топологии. Освоить основные этапы проектирования источников тока на одном транзисторе, каскодного источника, классического токового зеркала и токового зеркала Уилсона. Выявить зависимость тока, проходящего через нагрузку от сопротивления нагрузки.

Используемое оборудование: NI ELVIS Bode Analyzer, макетная плата NI ELVIS, резисторы, транзисторы 2N3904.

Основные теоретические положения.

1. Базовая схема источника тока на одном транзисторе.

Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора. Работает он следующим образом: напряжение на базе Uб > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: Uэ = Uб - 0,6 В. В связи с этим Iэ = Uэ/Rэ = (Uб - 0,6)/Rэ. Так как для больших значений коэффициента β Iэ ≈ Iк, то Iк ≅ (Uб - 0,6 В)/Rэ независимо от напряжения Uк до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (Uк > Uэ + 0.2 В).

Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h21эRэ.

Рисунок 1. Схема источника тока на одном транзисторе, смоделированная в MicroCap

2) Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

Поскольку предыдущая схема обладает определёнными недостатками, связанными с эффектом Эрли и температурной зависимостью напряжения базы, мы воспользуемся её улучшенным вариантом.

Источник тока на транзисторе Q2 работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Q3. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Q3) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения β). В этой схеме напряжение Uкэ (для Q2) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения Uбэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%. Эту схему используют в высокочастотных силителях, где она известна под названием «каскод»).

Рисунок 2. Схема каскодного источника ток, смоделированная в McroCap

3) Классическое токовое зеркало

Работа токового зеркала «программируется» путем задания коллекторного тока транзистора Q4. Напряжение Uбэ для Q4 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Q5, согласованный с транзистором Q4 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для Q4. Небольшими базовыми токами можно пренебречь.

Рисунок 3. Схема классического токового зеркала, смоделированная в MicroCap

Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен Uкк за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе. Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток Iупр с помощью резистора. В связи с тем, что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падение напряжения на которых мало по сравнению с Uкк, резистор формирует управляющий, а следовательно, и выходной ток с заданной величиной. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока.

Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда:

1) под рукой есть много согласованных транзисторов и

2) разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.

4) Токовое зеркало Уилсона

Когда нам недостаточно схемы простого токового зеркала, например, для работы со схемами, где необходимо обеспечивать высокую степень постоянства выходного тока, можно воспользоваться токовым зеркалом Уилсона.

Рисунок 4. Схема токового зеркала Уилсона, смоделированная в MicroCap

Транзисторы Q6 и Q7 включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору Q8 потенциал коллектора транзистора Q6 фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде больше, чем напряжение земли. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе Q6, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором Q7. Транзистор Q8 не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Q6. В результате в токозадающих транзисторах Q6 и Q7 падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Q8 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным (аналогичный прием используют при каскодном включении). Транзистор Q8 не обязательно согласовывать с транзисторами Q6 и Q7.

Обработка результатов эксперимента

1. Базовая схема источника тока на одном транзисторе.

Напряжение питания	Ток нагрузки
5 В	5 мА

Расчёт:

Rэ = 360 Ом;

R₂ = 9.1 кОм

Т.к. расчёты приближённые, то точные результаты при данных значениях не получаются, поэтому при моделировании берём более приближённые.

Рисунок 5. Схема источника тока на одном транзисторе, смоделированная в MicroCap

Рисунок 6. График зависимости тока от сопротивления нагрузки, построенный в MicroCap

Рисунок 7. Схема источника тока на одном транзисторе

Рисунок 8. График зависимости тока от сопротивления нагрузки

2. Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

Напряжение питания	Ток нагрузки
15 В	10 мА

Расчёт:

Rэ = 1 кОм;

R₃ = 10 кОм

Т.к. расчёты приближённые, то точные результаты при данных значениях не получаются, поэтому при моделировании берём более приближённые.

Рисунок 9. Схема каскодного источника тока, смоделированная в McroCap

Рисунок 10. График зависимости тока от сопротивления нагрузки, построенный в MicroCap

Рисунок 11. Схема каскодного источника тока

Рисунок 12. График зависимости тока от сопротивления нагрузки

3. Классическое токовое зеркало

Напряжение питания	Ток нагрузки
5В	5 мА

Рисунок 13. Схема классического токового зеркала, смоделированная в MicroCap

Рисунок 14. График зависимости тока от сопротивления нагрузки, построенный в MicroCap

Рисунок 15. Схема классического токового зеркала

Рисунок 16. График зависимости тока от сопротивления нагрузки

4. Токовое зеркало Уилсона

Напряжение питания	Ток нагрузки
15В	10 мА

Рисунок 17. Схема токового зеркала Уилсона, смоделированная в MicroCap

Рисунок 18. График зависимости тока от сопротивления нагрузки в MicroCap

Рисунок 19. Схема токового зеркала Уилсона

Рисунок 20. График зависимости тока от сопротивления нагрузки

Вывод: в результате выполнения данной лабораторной работы были построены и изучены источники тока различной топологии, построены графики зависимости тока от сопротивления нагрузки. Рабочий диапазон получился довольно небольшой, максимальная нагрузка, на которой ток более или менее оставался постоянным, была равна 510 Ом. Это могло быть вызвано эффектом Эрли, т.е. при изменении напряжения нагрузки, менялось напряжение на базе, а следовательно, и выходной ток, это приводит к изменению тока нагрузки. Так же это могла быть вызвано изменением температуры перехода, при изменении сопротивления нагрузки, т.е. изменялась мощность, рассеиваемая транзистором. В токовых зеркалах эффект Эрли подавляется за счёт обеспечения постоянства выходного тока.