elteh / L4

Источники (стабилизаторы) напряжения и тока

Источники (стабилизаторы) постоянного напряжения и тока предназначены для получения неизменных в заданных пределах уровней напряжения или тока. Они применяются для обеспечения электропитания и задания режимов каскадов и реализуются источники на основе полупроводниковых приборов с нелинейными характеристиками.

В принципе действия параметрического стабилизатора лежит использование нелинейности вольтамперной характеристики, обеспечивающей на рабочем участке незначительные вариации напряжения при существенном изменении тока.

Источники напряжения в качестве нелинейных элементов содержат стабилитроны, использующие свойства области пробоя на обратной ветви характеристики p - n перехода (рис.3.10,а). Промышленные конструктивно завершенные стабилитроны производятся на различные токи с широкой номенклатурой напряжений стабилизации от единиц до сотен вольт.

Интегральная схемотехника преимущественно использует стабилитроны, сформированные на базе обратно смещенного перехода эмиттер - база интегрального транзистора (рис.3.10,б). Для кремниевых интегральных транзисторов U_ст лежит в пределах 6,0…6,5 В и r ≈ 50…100 Ом.

Рис. 3.10. Характеристика стабилитрона (а) и его реализация в ИМС (б); стабилизатор напряжения (в) и линеаризованная эквивалентная схема (г)

Если требуется получить более низкий уровень стабилизированного напряжения, используется прямая ветвь характеристики p - n перехода, обеспечивающая U ≈ U* =0,5...0.7 В.

Для получения эффекта стабилизации выходного напряжения его снимают со стабилитрона Д, подключенного к источнику нестабилизированного напряжения V через балластный резистор R (рис.3.10,в). Параметры полученного источника (коэффициент стабилизации, выходное сопротивление) можно рассчитать с помощью линеаризованной эквивалентной схемы для рабочего участка характеристики стабилитрона (рис.3.10,г). Из уравнения цепи несложно получить выражение выходного напряжения

К недостаткам параметрических стабилизаторов следует отнести невысокое значение коэффициента стабилизации, которое зависит от параметров стабилитрона, подверженных влиянию внешних факторов (режима, температуры и др.), влияние подключаемой к источнику нагрузки и сравнительно небольшой диапазон выходных напряжений.

С целью повышения качества выходного напряжения применяются более сложные компенсационные стабилизаторы, функционирование которых основано на свойствах транзисторного каскада (рис.3.11).

Рис.3.11. Транзисторный источник стабилизированного напряжения.

Резистор R и стабилитрон Д задают постоянное смещение на базу транзистора Т, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Напряжение складывается из напряжений на стабилитроне и открытом переходе транзистора U_вых = U − U*, а выходное сопротивление источника определяется выходным сопротивлением эмиттерного повторителя R_вт ≈ r_Э.

Источник тока можно получить на основе биполярных или полевых транзисторов с использованием весьма малой зависимости тока от напряжения на пологом участке выходной характеристики. Если задать фиксированное напряжения смещения в схеме с общим стоком на полевом транзисторе, то ток через резистор R₁ будет практически неизменным при существенной вариации напряжения питания (рис. 3.12,а).

Рис.3.12. Схема источника тока (а) и характеристика транзистора (б)

Включение нагрузки R_н в цепь истока создает заземленный источник тока. Выходные характеристики полевого транзистора со встроенным каналом (рис.3.12,б) обеспечивают управляемый напряжением затвора источник тока с выходным сопротивлением порядка 100…500 кОм. Основным недостатком схем с установкой тока путем задания режима (рабочей точки на характеристике) непосредственно от внешней цепи (например, делителя напряжения) является существенное влияние на режим дестабилизирующих факторов (температуры, электромагнитного поля, излучений).

Для снижения влияния нестабильных параметров транзисторов применяются схемы установки режима работы транзистора с использованием вспомогательного транзисторного каскада. Хорошие результаты получаются при близких параметрах рабочего и задающего транзисторов. Указанный способ эффективно реализуется в ИМС при получении транзисторов с одинаковыми параметрами методами интегральной технологии.

Источник тока, называемый отражателем тока или токовым зеркалом, представляет собой схему, которая наряду с рабочим транзистором Т₂ содержит задающий транзистор Т₁, служащий для установки значения тока источника (рис.3.13).

Рис. 3.13. Источник тока «токовое зеркало»

Транзистор Т₂ повторяет (отражает) заданный ток I_R = I_н с точностью, зависящей от соотношения параметров транзисторов. При полной их идентичности U_бэ1 = U_бэ2 = U_бэ , β₁ = β₂ = β справедливы соотношения , из которых следует .

Типичные значения выходной проводимости g_вт = h₂₂ источника тока на БТ лежат в пределах сотен килоом. В схемах токовых зеркал, как правило, используют одну задающую схему (источник напряжения, резистор R и транзистор Т₁) для управления целой группой транзисторов Т₂ . В МДП технологии применяют аналогичные схемы отражателей тока на полевых транзисторах.