1.5.Генератор стабильного тока

Идеальный источник тока обеспечивает в нагрузке ток, который не зависит от напряжения на этой нагрузке. Вследствие возможности эквивалентного преобразования источника тока в источник напряжения и наоборот, схему идеального источника тока можно построить на базе источника напряжения с последовательно включенным высокоомным резистором.

Если необходим значительный ток КЗ I₀, то необходимо выбрать напряжение Е большой величины. Например, для того чтобы обеспечить ток I₀ =1 мА и внутреннее сопротивление источника тока R_о = 1 мОм необходимо приложить напряжение 1 кВ.

В интегральном ДУ высокоомные резисторы занимают значительную площадь на поверхности подложки, т. е. существует принципиальное ограничение величины резистора R₀. Указанное условие можно обойти, если потребовать большое внутреннее сопротивление только для определенного интервала выходных напряжений. В этом случае большим может быть лишь дифференциальное внутреннее сопротивление R₀=dU/dI, тогда как статическое сопротивление может быть малым. Этой особенностью обладает выходная характеристика транзистора. В то время как U_кэ/I_к имеет порядок несколько кОм, dU_КЭ /dI_к составляет несколько сотен кОм. С помощью отрицательной обратной связи значение дифференциального внутреннего сопротивления можно увеличить на несколько порядков.

Рис. 4.9. Генераторы стабильного тока: а — ГСТ с диодным смещением; б — ГСТ с резисторами в цепях эмиттеров транзисторов

На рис. 4.9, а приведена одна из возможных схем генератора стабильного тока (ГСТ). Транзистор VT1 в диодном включении выполняет роль температурной компенсации напряжения U_бэ транзистора VT2. Так как коллектор транзистора VT1 соединен с базой, то U_кэ=U_бэ > U_{кэ нас}. Следовательно, транзистор VT1 ненасыщен. Поскольку U_бэ1=U_бэ2, то при хорошо подобранных транзисторах I_б1=I_б2=I_б и I_к1=I_к2=_I 1_б. При этом

I₁ =I_б +2I_б ; I₂=I_б.

Отсюда

I₂=[/(+2)]I₁ I₁ .

Благодаря тому, что ток I₂ пропорционален току I₁ схема называется «токовым зеркалом».

Рассмотрим, каким образом обеспечивается необходимый ток в схеме ГСТ. Из уравнений Эберса–Молла следует, что эмиттерный ток транзистора связан с напряженном U_бэ соотношением

(4.6)

где I_эо — обратный ток насыщения. Обратный ток насыщения пропорционален площади перехода эмиттер-база

I_э0 = γ_ЭS (4.7)

Коэффициент пропорциональности γ_Э зависит от собственных параметров полупроводника. Из уравнений (4.6) и (4.7) следует, что если транзисторы VT1 и VT2 работают при одном и том же напряжении эмиттер-база, то их эмиттерные токи относятся как площади их эмиттеров

(4.8)

Так как ток I_к отличается от тока I_э на величину тока базы I_б, то при больших значениях ₀»1 I_э в уравнениях (4.6) и (4.8) можно заменить на I_к. не допуская при этом заметной погрешности. Тогда для схемы рис. 4.9, а имеем

.

Учитывая падение напряжения на переходе база-эмиттер, величину тока ГСТ можно определить из соотношения

(4.9)

Выражение (4.9) справедливо в широком диапазоне изменений тока ГСТ и температур. Таким образом, ГСТ с диодным смещением обеспечивает получение тока I₀, не зависящего от параметров приборов. Его можно масштабировать соответствующим выбором площадей эмиттеров двух данных транзисторов.

На рис. 4.9, б изображена схема ГСТ с диодным смещением, в которой для задания токов используется отношение сопротивлений резисторов, а не площадей эмиттеров. Пренебрегая током базы транзистора, величину тока через каждый из транзисторов можно определить из соотношения

(4.10)

Разность падений напряжения база-эмиттер для двух идентичных транзисторов при данных коллекторных токах I₁ и I₂ можно записать в виде

(4.11)

Таким образом, из (4.10) и (4.11) для отношения токов можно получить

.

Если падение напряжения на резисторе R₁ сравнимо с напряжением U_бэ„ то второе слагаемое в квадратной скобке мало по сравнению с единицей и

, (4.12)

При I₁R₁ U_эб равенство (4.12) выполняется с максимальной ошибкой меньше ±10% в диапазоне двух порядков величины тока, т.е.

0,1<|I₂/I₁|<10

независимо от температуры.

ГСТ с резисторным смещением предпочтительнее простого источника с диодным смещением, изображенного на рис. 4.9, а, в случае, когда отношение I₁/I₂ значительно отличается от единицы, поскольку отношение сопротивлений резисторов можно варьировать в более широком диапазоне, чем отношение площадей эмиттеров. При R₁= 0 ток I₂«I₁ и слабо зависит от источника питания. Эта особенность ГСТ при R₁ = 0 широко используется во входных каскадах операционного усилителя.