11. Управляемые источники тока и усилительные каскады на их основе

Усилительные каскады с управляемыми источниками тока нашли применение в интегральной схемотехнике. В ней в различных сочета­ниях используются управляемые источники тока и источники по­стоянного тока.

Управляемые источники постоянного тока представляют «обой либо цепи, питающие нагрузку постоянным током, либо цепи, отбирающие от нагрузки постоянный ток. Из-за технологических особенностей вто­рая группа цепей получила несколько большее распространение.

Упрощенная схема управляемого источника тока показана на рис. 3.31, а. В ней транзистор Т_г охвачен 100%-ной обратной «вязью, так как выход его (вывод коллектора) соединен в входом (выводом

^2

Рис. 3.31. Схемы управляемых источников тока

базы). По существу, этот транзистор включен диодом. Ток, протекаю» щий в цепи базы, приблизительно в й_а1э раз меньше тока в цепи коллек­тора:

' /К1 « Л«1»Ув|.

Если транзистор 7\, эмиттерный переход которого подключен параллельно эмиттерному переходу транзистора Т_и имеет полностью идентичные характеристики о транзивтором Т_ь то в цепи его базы бу­дет протекать ток /вг, равный току /вь

Соответственно будут равны и коллекторные токи: /щ = /_а.

Общий входной ток каскада вкладывается из коллекторного и ба­зового токов транзистора T_lt а также базового тока транзистора T^j

Л⁼ ^Ki + 2/б = /ю 4* 2/к1/Й21»-

Тогда отношение входного и выходного токов можно записать как

4 ^Ki+Pki/^Is) ^is+2

Таким образом, при использовании идентичных транзисторов о большим коэффициентом передачи базового тока Л_и# выходной ток практически равен входному и направлен в противоположную сторону. Поэтому подобные управляемые источники тока иногда называют отражателями тока или токовыми зеркалами. Для получения источ­ника постоянного тока его необходимо подключить к источнику э. д. о. Е_в через сопротивление

Ra ^ ^lla 'Т1II ^11а-т2>причем Е_р должно быть значительно больше напряжения Ubq, что­бы изменения последнего не меняли ток Ц. Выходное сопротивление подобных источников тока ограничено значением сопротивления за­пертого коллекторного перехода г„. диф.

Значительно меньшую зависимость отношения входного и выход­ного токов от параметров транзисторов и соответственно лучшие ха­рактеристики можно получить, используя более сложные схемы (на­пример, рис. 3.31, б). Для приведенного на схеме источника тока будут справедливы следующие уравнения, полученные исходя из предполо­жения об идентичности характеристик транзисторов:

Л = /к i + /в21

I % za h_21at t>2<

1Э2 — 0219 + 0 ^821

1st «/кз + 2/вз;

/кз ^e /ki ^в Лахэ^вз.

Отсюда

/к! = /б2Л₂18 0219 + 1У0219 + 2)

и, пренебрегая малыми величинами, получим

/Л1 = 0219 + 2)/0_а1а + 1). (3.43)

Из выражения (3.43) видно, что отношение токов меньше зависит от параметра транзисторов, чем в предыдущем случае.

В простейших случаях в качестве источника тока используют цепь, представленную на рис. 3.31, в. В ней ток /₂ определяется напряжением Е источника и резистором в эмиттерной цепи R₉. Если Е ^ и^э, то можно считать, что Е « Ur*, где Ur* ж /_sR₉.

Тогда для тока цепи имеем

/₂ ® E/R₉.

Выходное сопротивление у всех источников тока, приведенных на рис. 3.31, не превышает дифференциального сопротивления заперто­го коллекторного перехода гк.диф и равно 1—5 МОм.

Дифференциальные усилительные каскады с токовым выходом и вы­соким выходным сопротивлением могут быть построены на основе ис­точников тока. Одна из возможных схем, иногда называемая токовым зеркалом, показана на рис. 3.32, а. В каскаде транзистор Т₃ вместе с диодом Д выполняет функции управляемого источника тока. Транзи­сторы 7\, Т₂, Т₃ и Т₄ образуют дифференциальный каскодный каскад, в котором транзисторы Т_и Т₃ включены по схеме с ОЭ, а транзисторы Т₃, T_t — по схеме с ОБ. Транзисторы Т_ч, Т₉ являются высокоомной динамической нагрузкой дифференциального каскодного усилителя. Напряжение смещения их задается эмиттерным повторителем на тран­зисторе Т₉. Для нормальной работы каскада соответствующие пары транзисторов подбираются идентичными по параметрам

.В схеме имеется источник постоянного тока /₀, с помощью которо- го задаются требуемые значения токов /₅ и 4^:₇

4 = 4 + Л- (3.44)

Ток /_в ввязан о токами Zj и /_ш соотношением ♦

/, - 1й_иЛ1₈ + 2)1 (/, 4- /Д

Ток Z* определяет токи транзисторов Т_а, T_t, которые в первом приближении равны (/i+/_s). Тогда

4 (Zl + Z2)/^21э.

Для упрощения выражений примем, что Л₂1э Для всех транзисторов равны и достаточно велики, так что /_э я /_к. Подставив в выражение (3.44) значения соответствующих токов и учтя принятые допущения, получим

. 413 4* 2 J /<218

Следовательно, ток, потребляемый каскадом, не зависит от пара­метров его транзисторов и входных напряжений, а определяется ис­точником тока /₀- Изменяя /₀, можно менять токи, протекающие че­рез каскад, и соответственно его основные характеристики.

Рис. 3.32. Схемы усилительных каскадов с токовым выходом, управ­ляемых от источника напряжения (а) и источника тока (б)

Если входные напряжения £7_ВХ1 = 14x2» то токи /_х = /_а = /_ю а выходной ток /_{в ых} -> 0.

Пусть теперь одно из входных напряжений, например {7_Вхг» уве­личится на &U, причем &U = £4_Х 2 — £4хг Это приведет к увеличе­нию тока /_а, протекающего через транзисторы Т^. Л- Базовый ток транзистора Т₄ также увеличится. Базовый ток транзистора Т₈ и ток ?! уменьшатся, так как эти цепи питаются от источников тока и уве­личение одной составляющей приводит к соответствующему умень­шению другой. Уменьшение тока /_х приведет к снижению напряжения 194на коллекторе транзистора Г, и напряжения на базах транзисторов Т₇, Т_а. В итоге ток /₈, протекающий через транзистор T_8i уменьшится.

Таким образом, в результате воздействия дифференциального на* пряжения Д(/ ток транзисторов Т_а, 7\ увеличится на Д/₈, а ток тран* зистора Т_а уменьшится на Д/₈. Выходной ток каскада примет значе­ние

^выт^Д^з+Д^З’

Итак, дифференциальное напряжение, приложенное к входным за­жимам каскада, вызывает на выходе появление тока, прямо пропор­ционального этому напряжению. Причём напряжение, относительно которого выходной сигнал равен нулю при отсутствии дифференци­ального входного сигнала, отличается от входного напряжения. При Д£/ = 0 £/_ВЫ1= U_a.

Одновременное изменение напряжения на обоих входах (синфаз­ный входной сигнал) практически не меняет выходного напряжения и тока. Это обусловлено стабилизирующими свойствами источника тока на транзисторе Т₅ и диоде Д.

Действительно, если одновременко увеличить входные напряже­ния U_BX1 + Д(/_Вц= ^вха + Л^вха> тотоки /_х и /₈должны увеличить- ся. Это приведет к увеличению тока 1_а и уменьшению тока /_В. Так как ток 7₅ определяет токи 1_и /_а, то его уменьшение вызывает соответст­вующее уменьшение (7_Х + /_а). Такая взаимная компенсация изменений тока (Ц + /_а) приводит к малой зависимости его от. значения синфаз­ного сигнала, практически не влияя на его характеристики для диф­ференциального сигнала.

Кроме того, обратная связь, осуществляемая через этот управля­емый источник тока, улучшает стабильность выходного напряжения при нулевом дифференциальном сигнале. Это весьма важно для по­строения многокаскадных усилителей.

Другой вариант усилительного каскада с источником тока показан на рис. 3.32, б. В нем управляемый источник тока собран на транзи­сторах Т₆, Т_й, Т_г Транзисторы 71 и T_it образующие плечи дифферен­циального каскада, включены по схеме с ОБ. Входное сопротивление каскада низкое. Он управляется разностью входных токов.

Дифференциальный входной сигнал в таком каскаде преобразует­ся в несимметричный выходной. При равных входных токах в плечах каскада будут протекать равные токи: Л = 7_а = /₈» а /_ВЫ1 = 0.

Если эмиттерные токи транзисторов Л и Г, получат одинаковые по модулю, но противоположные по направлению приращения:

Ц = Л + Д/; /2 = /₈ - Д/, то ток транзистора Т„ входящего в управляемый источник тока, так­же увеличится на Д/:

/з = /₃ + Д/.

В итоге /_ВЫ1 = /₈ — /₂ изменится на Д/_выт ^s 2Д/.

Выходное напряжение у этого каскада, так же как и у предыдущего, сдвинуто по уровню относительно входного. Значение сдвига зависит от режима работы транзисторов.

Высокое выходное сопротивление каскадов этого типа позволяет предельно просто корректировать их частотную характеристику. Для этого к выходному зажиму подключают конденсатор малой емкости, значение которой определяет частоту среза. Подобные усилительные каскады обеспечивают получение частотной характеристики, близкой к оптимальной.

Для проведения полного анализа необходимо составить эквивалент* ную схему каскада и провести ее исследование, пользуясь общими пра­вилами теории электрических цепей, аналогично тому, как это дела­лось ранее.

Управляемые источники тока широко применяют в интегральной схемотехнике, например при создании операционных усилителей.