При установке резистора R5 в цепь эмиттера транзистора Q1 образуется цепь отрицательной обратной связи – последовательная по току (рис. 1.30, б): напряжение БЭ зависит от напряжения на резисторе R5, оно в свою очередь зависит от тока коллектора, связанного с напряжением на выходе первого каскада. Коэффициент усиления при этом приблизительно равен 60. Отличие в значениях выходного напряжения усилителя при температурах -40 и 40 °C не превышает 46 мВ (3,8 %), что свидетельствует о его более высокой термостабильности по сравнению со схемой без ООС. Приведённые значения получены для указанных параметров элементов схем и могут быть скорректированы выбором других значений параметров.

Отметим, что в первом рассмотренном случае, когда ОС охвачены оба каскада усилителя в отличие от второго, когда ОС охвачен только первый каскад, стабилизация коэффициента усиления выше. Таким образом, ООС служит для повышения стабильности и снижения нелинейности в усилительных схемах.

1.9. Генераторы постоянного тока на транзисторах

Транзисторный источник тока. Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока могут использоваться для задания рабочей точки транзисторных каскадов и, кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления (что используется при построении операционных усилителей, как увидим далее) и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы и генераторы пилообразного напряжения. Нередко стабильные источники постоянного тока требуются при проектировании медицинских приборов, например, аппаратуры для электрофореза. Простейший источник тока можно построить на основе единственного транзистора (рис. 1.32).

Работает он следующим образом: заданное напряжение на базе Uб > 0,6 В

Uэ =Uб −0,6В;

Iэ =Uэ =Uб −0,6В.

Rэ Rэ

Поскольку для больших значений коэффициента βст Iк ≈ Iэ,

I Uб −0,6В

к Rэ

независимо от напряжения на коллекторе Uк до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (Uк >Uэ + 0,2 В).

Смещение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами, как показано на рис. 1.33. Неплохой результат можно получить при помощи резистивного делителя, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение (рис. 1.33, а). Как и в предыдущих случаях сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току βст · Rэ. Также можно воспользоваться стабилитроном и использовать для смещения источник питания (рис. 1.33, б) или взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и источником питания (рис. 1.33, в).

Рис. 1.33. Схемы смещения напряжения на базе транзистора (замена батареи на рис. 1.32)

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя стабильно, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что

44

транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется тем фактом, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения Uб, то получим про-

граммируемый источник тока.

Недостатки источников тока. Очень важным является вопрос, насколько транзисторный источник тока отличается от идеального. Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении напряжения, т. е. имеет ли источник тока эквивалентное сопротивление конечной величины (Rэкв < ∞). Здесь можно выделить два основных пункта:

1. При заданном токе коллектора напряжение Uбэ и коэффициент βст не-

сколько изменяются при изменении напряжения коллектор–эмиттер. Изменение напряжения Uбэ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вы-

зывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента βст приводит к небольшим из-

менениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как Iк = Iэ – Iб; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в

связи с возможным изменением сопротивления источника смещения, обусловленного изменениями коэффициента βст (следовательно, и тока базы).

Все эти изменения (пусть и небольшие по абсолютной величине) приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно.

2. Напряжение Uбэ и коэффициент βст зависят от температуры. В связи с

этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный.

Токовые зеркала. Работа токового зеркала программируется заданием коллекторного тока транзистора Q1 (рис. 1.34). Напряжение Uбэ для Q1 устанавли-

вается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Q2, согласованный с транзистором Q1 (для этой цели лучше всего подой-

дёт монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для Т1. Небольшими базовыми токами при этом можно пренебречь.

45

Рис. 1.34. Токовое зеркало: а) классическая схема на основе согласованной пары биполярных транзисторов; б) график изменения тока нагрузки

взависимости от сопротивления нагрузки R2

Всвязи с тем, что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падение напряжения на которых мало по сравнению с напряжением питания (источник напряжения V1 на рис. 1.34, а), резистор R1 сопро-

тивлением 4,4 кОм формирует управляющий ток, следовательно, и ток в нагрузке (резистор R2) величиной 1 мА.

Токовые зеркала можно использовать в случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда под рукой много согласованных транзисторов и есть необходимость в схеме, которая работала бы в широком диапазоне питающих напряжений. Существуют безрезисторные интегральные операционные усилители, где режимный ток всего усилителя задается с помощью одного внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток изменяется при изменении выходного напряжения, т. е. выходное сопротивление схемы небесконечно, что хорошо видно из графика на рис. 1.34, б. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора Q2 напряжение Uбэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является прямой линией. Практически ток может изме-

46

няться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы, что существенно хуже, чем характеристики рассмотренного ранее источника тока с эмиттерным резистором.

Токовое зеркало Уилсона. На рис. 1.35 представлено еще одно токовое зеркало, обеспечивающее высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы Q1 и Q2 включены как в стандартном токовом зеркале. Благодаря транзистору Q3 потенциал коллектора транзистора Q1 фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на p–n-переходе ниже, чем напряжение питания. Такое включение позволяет уменьшить влияние эффекта Эрли в транзисторе Q3, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток при этом определяется транзистором Q2. Транзистор Q3 не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Q1. В результате в токозадающих транзисторах Q1 и Q2 падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Q3 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой зависит от ее сопротивления и потому может быть переменным. При сравнении выходной характеристики тока зеркала Уилсона со схемой простого токового зеркала становится очевидной повышение стабильности.

Рис. 1.35. Токовое зеркало: а) схема Уилсона; б) изменение тока в нагрузке (R2) в зависимости от ее сопротивления

47