Курс СТУ_Заочники_Никитин / КурсСТУ-9 Внутренняя структура ОУ_Ник_140117

Тема 9

Внутренняя структура ОУ и ее элементы

Элементами внутренней структуры ОУ, прежде всего, являются усилительные каскады на биполярных транзисторах, построенные по схеме ОЭ, ОК и ОБ, а также генераторы стабильных токов и схемы сдвига уровня.

Токовое зеркало

Рис. 1 Схема простого токового зеркала на биполярных транзисторах

Запишем значение управляющего тока:

Найдем значение выходного тока в зависимости от тока управления. Т.к. в микроэлектронном исполнении транзисторы практически одинаковы и для схемы простого токового зеркала , следовательно . А управляющий ток определяется как . С учетом двух последних выражений можно записать:

, отсюда ;

Ф. 1

при =100 отношение , т.е. разбаланс составляет 2%.

при достаточном большом  . Благодаря последнему свойству эта схема источника тока и получила свое название - «токовое зеркало».

Предыдущий анализ транзисторной пары токового зеркала был проведён в предположении полной идентичности обоих транзисторов. Рассмотрим, что происходит в реальной ситуации, когда это предположение не выполняется. Например, даже у 2-х ИС - транзисторов идентичной конструкции, которые расположены в непосредственной близости друг к другу на одном кристалле ИС, существуют небольшие различия в электрических характеристиках. Наиболее важное различие между двумя идентичными транзисторами состоят в ширине базы W.

Это различие в ширине базы проявляется в различных коэффициентах усиления по току и становится причиной появления напряжения смещения U_см.

Для схемы ТЗ различия в усилении по току не играют большой роли вследствие малости базового тока в то время как влияние U_см может оказаться существенным.

Разброс параметров транзисторов обусловлен различной шириной базы и выражается в различных значениях I_К1, I_К2 при фиксированном U_БЭ. Напряжение смещения определяется для пары транзисторов как разница базоэмиттерных напряжений при одинаковых токах коллектора:

Ток коллектора связан с базо-эмиттерным напряжением основным соотношением для биполярного транзистора - уравнением Эберса-Молла:

;

Запишем выражения для токов коллектора VT1 и VT2 через уравнение Эберса-Молла:

Найдем отношение токов коллектора:

Типичное значение напряжения смещения 1-3 мВ. При напряжении смещения 1мВ разбаланс токов коллектора для пары транзисторов составляет:

Ф. 2

Выходная проводимость определяется как наклон выходной характеристики биполярного транзистора включенного по схеме с ОЭ:

Найдем относительное изменение выходного тока по формуле:

Ф. 3

Коэффициент влияния источника питания определяется следующим образом:

т.к. ,

Ф. 4

то производная от выходного тока по напряжению питания будет иметь вид:

,

а значение коэффициента влияния источника питания К_ВИП можно определить по формуле:

Таким образом при увеличении U_ПИТ прямо пропорционально увеличивается I_ВЫХ

Источник тока с уменьшенным значением К_ВИП

Рис. 2 Схема источника тока с уменьшенным значением К_ВИП

Т.к. ток коллектора I2 приблизительно равен току эмиттера Iэ2, а ток через резистор R2 приблизительно равен току Iэ2, то можно записать следующее выражение для выходного тока:

Ф. 5

Это выражение является приближенным. Используя уравнение Эберса-Молла запишем выражение для Uбэ1:

Подставив выражение для U_БЭ1 в Ф. 5 получим более точное выражение для выходного тока:

В этом выражении нам неизвестен ток I_КО.

Значение тока I_К1=I₁ можно найти из уравнения, составленного по 2 закону Кирхгофа для контура (+U_ПИТ)-(R₁)-(U_БЭ2)-(U_БЭ1)-(-U_ПИТ):

Зная токи протекающие через транзисторы, можно найти напряжения U_БЭ1,U_БЭ2 из уравнения Эберса-Молла.

Относительное изменение выходного напряжения при изменении напряжения питания на 1В или коэффициент влияния источника питания (КВИП) можно определить по формуле:

Вторым слагаемым в этом выражении ввиду его малости можно пренебречь и таким образом выражение для К_ВИП примет вид:

Токовое зеркало Уилсона

Рис. 3 Схема токового зеркала Уилсона

Простое ТЗ обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т.е. выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора VT2 напряжение U_БЭ (и, следовательно, ток коллектора) слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли).

Источник тока, представленный на Рис. 3 обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока. VT1 и VT2 включены как в обычном ТЗ. Благодаря транзистору VT3 потенциал коллектора транзистора VT1 фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания. Транзистор VT3 можно рассматривать как элемент, который передаёт ток в нагрузку.

Взаимная компенсация базовых токов. Для анализа будем считать все транзисторы идентичными. Запишем выражение для тока I3:

(*)

Ток I2 в свою очередь определяется из соотношения:

Ток коллектора VT2 равен току коллектора VT1 и определяется из соотношения:

Подставив в выражение (*) выражение для тока I2, а затем и выражение для тока Iк2 получим:

(**)

и в случае равенства  базовые токи равны и предыдущее выражение примет вид:

Разбаланс токов из-за наличия напряжения смещения рассчитывается аналогично схеме простого токового зеркала:

Ф. 6

Расчет значения выходного тока для получения заданного тока.

Т.к. для токового зеркала Уилсона ток I3 = I1 и записав уравнения по 2-му закону Кирхгофа для цепи (U+)-(UR1)-(Uбэ3)-(Uбэ1)-(U-) получим следующее уравнение:

Определение выходной динамической проводимости

Выходная динамическая проводимость g₀ определяется по формуле:

и показывает на сколько изменится выходной ток при изменении выходного напряжения на 1В. Понятно, что чем лучше источник тока, тем меньше проводимость и при идеальном источнике тока равна 0.

Для определения динамической выходной проводимости этой схемы представим динамическую проводимость между коллектором и эмиттером транзистора VT3 g_КЭ в виде проводимости, внешней по отношению к транзистору. Считая, что выходное напряжение изменилось на величину U_ВЫХ, определим соответствующее изменение выходного тока I_ВЫХ. Тогда отношение I_ВЫХ к U_ВЫХ определит выходную проводимость g₀.

Рис. 4 Динамическая выходная проводимость токового зеркала Уилсона

Изменение выходного тока I_ВЫХ, проходящего через VT2, вызовет равное изменение тока через VT1. Если считать, что ток питания I₁ остается постоянным, то изменение базового тока транзистора VT3 равно -I_ВЫХ. Это изменение базового тока транзистора VT3 вызовет изменение тока коллектора на -I_ВЫХ.

Кроме того, изменение выходного напряжения U_ВЫХ повлечет за собой изменение тока через g_КЭ на g_КЭI_ВЫХ. Складывая токи на коллекторе VT3 получаем:

Приводя подобные члены при I_ВЫХ в левой части, получаем:

,

откуда динамическая проводимость равна:

Ф. 7

Выходная динамическая проводимость для токового зеркала Уилсона в (1+) раз меньше чем для схемы простого токового зеркала.

56