Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Икэпроб = 50 В, то область напряжений Ик2 от +0,2 до +50 В со­

ставляет рабочий диапазон источника постоянного тока.

Область изменения напряжений Икэ• в которой схема рабо­

тает практически как источник стабильного тока, иногда назы­ вается диапазоном линейного изменения напряжения [3 7].

На рис. 8.2 сплошной линией показана как выходная харак­

теристика источника тока (схема на рис. 8.1), так и характерис­ тика идеального источника стабильного тока (штрихпунктир­ ная прямая). ВАХ источника тока I 0 = I кz = f(Uкэ) в диапазоне линейного изменения напряжения имеет постоянный наклон.

В этой области производная dJк2/dUкэ = gк82 определяет динами­ ческую выходную проводимость источника стабильного тока, а об­ ратная величина 1/g = R является динамическим выходным со­ противлением. Идеальный источник стабильного тока имеет

нулевую выходную проводимость g = g0 = О. ВАХ источника то-

ка 10 = f(U0 ) или Iк2 = f(Икэ) позволяет определить типичные

значения для выходной проводимости:

(8.2)

где gкэ2 - динамическая проводимость между коллектором и

эмиттером транзистора VT2 , ИА - напрлжение Эрли (см. гл. 4),

т. е. величина, обратная коэффициенту модуляции ширины ба­

зы для VT2 • Из формулы (8.2) следует, что для относительного

изменения тока dJкz/I к2 = dJ0 / I 0 = dUкэz/UА при изменении вы­

ходного напряжения на 1 В (dU0 = dИкэ2 = 1 В) имеем

(8.3)

Поскольку в рассматриваемой на рис. 8.1 схеме ток на верхнем

незаземленном выводе направлен внутрь схемы источника тока,

то данный тип устройств относится к источникам отрицательной по­

лярности. В обратном случае, когда ток 12 =10 направлен в проти­

воположную сторону, потенциал в коллекторной цепи транзисто­ ра VT1 должен быть противоположной полярности, т. е. -S.

Для многих применений ИС необходимо иметь источник то­

ка с симметричным диапазоном линейного изменения напря­

жения, когда выходное напряжение имеет как положительные,

так и отрицательные значения. В этом случае схема будет ана­ логична показанной на рис. 8.1, но вместо заземления эмитте­ ров необходимо подать на них отрицательный потенциал.

Полевые транзисторы (как с управляющими электрически­ ми переходами (ПТУП), так и МДП (МОП)-транзисторы) широ­ ко используются в ИС как стабилизаторы и источники стабиль­ ного тока. ПТУП может быть использован в качестве стабилиза­

тора или источника тока, если он включается как диод с

закороченным на исток затвором. В этом случае ВАХ такого ПТУП в диодном включении является, по сути дела, токовой ха­

рактеристикойiси = f(Иси) при Изи= О. При Иси >Uотс (см. гл. 6)

ток Iси насыщается, т. е. при увеличении напряжения Иси он из­

меняется весьма незначительно вплоть до напряжения пробоя

стокового перехода. Таким образом, ВАХ ПТ в области насыще­

ния также формирует диапазон линейного изменения напряже­

ния подобно характеристике, показанной на рис. 8.2. Подобно ПТУП в качестве стабилизаторов тока можно использовать и МОП-транзисторы в режиме обеднения. Существует множество схем источников тока на МОП-транзисторах, похожих на схе­

мы рассмотренных источников на ВТ.

В различных усилительных, цифровых логических и анало­

говых ИС источники тока часто используются в качестве актив­ ной нагрузки. Например, токовое зеркало часто применяют как

активную нагрузку в дифференциальных усилителях на ВТ и

ПТ (см. п. 8.3).

8.2.2. Источники напряжения.

В источниках напряжения выходное напряжение И0 не зави­

сит от величины нагрузки или, что одно и то же, от выходного

тока. Существует два основных способа реализации источника

напряжения, которые могут применяться не только по отдель­

ности, но и совместно. В первом случае реализуются свойства транзистора преобразовывать импеданс, зависящий от усиле­ ния транзистора по току. Другой способ основывается на ис­

пользовании свойств усилителя с обратной связью.

Анализ характеристик преобразования импеданса рассмот­ рим на примере схемы, изображенной на рис. 8.4, где база тран­

зистора через резистор R 0 подключена к источнику напряжения

ивх• Если выходной ток Io возрастает на dio, ТО базовый ТОК из­ меняется на величину diв = diэ/(~ + 1) = dJ0/(~ + 1) (см. гл. 4).

Изменение падения напряжения на сопротивлении R 0 будет равно dIвRо = dI0R0/(~ + 1). Падение напряжения между базой и эмитте­

ром увеличится в соответствии с формулой dИвэ = (dИвэ/diэ)diэ,

где R 0= R0 /(1 +К) - выходное сопротивление рассматривае­

мой схемы при наличии обратной связи.

Так как R 0 z R 0 / К при К » 1, то выходное сопротивление

при наличии обратной связи много меньше, чем в ее отсутствие.

Полученные выше значения динамического выходного со­

противления для источника напряжения справедливы при рабо­ те на низких частотах. На высоких частотах происходит умень­ шение коэффициента усиления (см. гл. 4) и появляется фазовый

сдвиг между напряжением и током, что приводит к изменению

выходного импеданса, который становите.я комплексным, а на

очень высоких частотах - чисто реактивным. Как показывают расчеты, для схемы с обратной связью выходной импеданс на высоких частотах записываете.я в следующем виде [37]:

(8.8)

где L 0 = R0/(21tfгp) - выходная индуктивность схемы, f гр - гра­

ничная частота, при которой коэффициент усиления по напря­ жению равен единице (К= 1). Источник напряжения должен иметь очень низкий динамический выходной импеданс, чтобы

выходное напряжение мало изменялось при изменении выход­

ного тока. Необходимо также стремиться к тому, чтобы у источ­ ников или стабилизаторов напряжения выходное напряжение

как можно меньше зависело от напряжения источника питания.

Для реализации последнего требования используют схемы с при­

менением стабилизаторов.

8.2.3. Источники опорного напряжения с термостабилизацией.

Температурный коэффициент выходного напряжения (ТКН =

=dUвыxfdT) являете.я в практическом отношении наиболее важной

характеристикой источника опорного напряжения. Поскольку все

электронные компоненты ИС, используемые в схемах опорного на­

пряжения, имеют различные ТКИ, основные элементы ИС подби­ раются так, чтобы имела место их взаимная в:омпенсация, при ко­

торой результирующий ТКН стремите.я к нулю при заданной тем­

пературе. Схема на рис. 8.6, где транзисторы VТ1' VТ2, VТ3 находятся в диодном включении, обладает взаимной компенса­

цией ТКИ различных компонентов. Ток от источника тока I 0 вы­

зывает обратное смещение транзистора VT1, который в этом слу­

чае работает как стабилизатор. Падение напряжения на VT1 рав­

но напряжению пробоя перехода эмиттер - база. В результате

ключен идеальный источник тока, при этом на базы подается входной

сигнал, а между коллекторами сни­

мается выходной (рис. 8.8). ДУ, изо­ браженный на рис. 8.8, состоит из двух симметричных схемных цепей,

каждая из которых содержит тран­

зистор и резистор. Помимо указан­

ных симметричных цепей, в общей

эмиттерной цепи имеется источник

тока 10 • Входным сигналом Ивх яв­

ляется разность базовых потенциа­

ных потенциалов Ивых = ИIC1 - Икz· В ДУ оба транзистора работают

в активном режиме. Источник тока 10 обеспечивает стабильность

рабочей точки транзисторов, т. е. токов 1g и напряжений и& .

При идеальной симметрии цепей ДУ в отсутствие входного

сигнала выходное напряжение равно нулю, поскольку коллек­

торные потенциалы и токи транзисторов VT1 и VT2 одинаковы из-за симметрии цепей. Такая ситуация будет сохраняться при любом одинаковом изменении токов в обеих ветвях усилителя:, т. е. в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, несмотря на возможный :значительный дрейф в каждом из пле­ чей ДУ. Таким образом усилитель будет устойчив на всех часто­

тах независимо от температуры. Любые изменения коэффициен­ та передачи или токов утечки в усилительной цепи транзистора VT1 компенсируются такими же изменениями в усилительном

:канале транзистора VT2•

Если на базы транзисторов VT1 и VT2 подаются одинаковые сигналы (синфазные снrналы), то Ивых = О, поскольку в обоих

транзисторах произойдут одинаковые изменения параметров и

разность Ивых =Ию - Ик2 =О.

Если же на базы подавать сигналы одинаковые по амплиту­

де, но противоположные по фазе (или по знаку), так называе­ мыеднфференцнальные снrналы, то их разность ЛИв1 - ЛИв2 и бу­ дет входным сигналом Ивх· В силу симметрии цепей VТ1 и VT2 сигнал Ив~ поделится поровну между обоими эмиттерными пе­ реходами. На одном из них потенциал увеличится на О,5Ивх• а

на другом уменьшится на О,5Uвх· В результате на выходе воз­

никнет напряжение, поскольку приращения коллекторных по­

тенциалов Ию и Ик2 будут одинаковыми по величине, но проти­

воположными по знаку. Таким образом, идеальный ДУ реаги­

рует только на разностный (дифференциальный) сигнал; при

этом потенциал эмиттеров остается неизменным, поэтому при

анализе ДУ его считают заданным, а ток генератора I 0 - посто­

янным (R; _,. оо). В реальных условиях источник тока имеет не бесконечное внутреннее сопротивление R;, в результате возник­

шее приращение потенциала эмиттера лиэ вызывает измене­ ние эмиттерного тока на величину Л/0 = Ли3/R; (при R; _,. оо приращение Л/0 _,. О). Это изменение тока Л/0 делится между цепями транзисторов VT1 и VT2 и вызывает приращение кол­ лекторных потенциалов Лию и Лик2• В случае идентичности цепей ЛИю = лик2 и на выходе ДУ имеется только синфазная

составляющая. В противном случае лию ,,,,_ лик2 и на выходе

ДУ наряду с синфазной составляющей пощштся паразитная

дифференциальная составляющая. Симметрия, т. е. идентич­

ность цепей VT1 и VT2 ДУ, легче всего достигается в ИС. Однако

даже если оба транзистора выполнены на одном кристалле, они

не будут абсолютно одинаковыми, поэтому даже в отсутствие

входного сигнала на выходе будет присутствовать некоторое на­

пряжение, которое обычно называют напряжением смещения

Исм; оно определяется формулой исм = ч>тln(/01/102), где 101 и

I 02 - соответственно тепловые токи эмиттерных переходов пер­

вого и второго транзисторов.

Передаточная характеристика. Рассмотрим передаточную и входную статические характеристики ДУ. Передаточная харак­

теристика, представляющая собой зависимость выходных то­ ков I 1 = I ю и I 2 = I к2 от входного напряжения ивх с учетом сме-

щения исм' т. е. от величины и~х = ивх - исм' представлена на

рис. 8.9. Из этой характеристики видно, что ДУ является нели­

нейным устройством. Однако в ограниченных областях переда­

точной характеристики I 1 = f(U вх) или I 2 = f(Uвх) зависимость

между токами и входным напряжением можно считать примерно

линейной (область от ивх = -30 мВ до Ивх = 30 мВ на рис. 8.9). Та­ ким образом, для малых сигналов ДУ является линейным устрой-