ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Токовые зеркала

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить устройство и принцип работы токовых зеркал.

ОБОРУДОВАНИЕ

Персональный компьютер IBM PC на базе процессоров Intel Pentium (и выше). Программа моделирования, основанная на использовании SPICE моделей.

ВВЕДЕНИЕ

Использование согласованного транзистора.

Для схемы токового зеркала можно использовать согласованные транзисторы, при этом будет обеспечена автоматическая температурная компенсация (рис.1).

Работа токового зеркала «программируется» путем задания коллекторного тока транзистора Q1. Напряжение UБЭ для Q1 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Q2, согласованный с транзистором Q1 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для Q1. Небольшими базовыми токами можно пренебречь.

О

Рис. 1

дно из достоинств описанной схемы состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен напряжению питания за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе. Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока.

Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда:

а) под рукой есть много согласованных транзисторов и

б) разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.

Существуют даже безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задается с помощью одного внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

Н

Рис. 2

едостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли. Простое токовое зеркало 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 Q2 напряжение UБЭ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией (рис. 2). Практически ток может изменяться приблизительно на 25% в диапазоне устойчивой работы схемы, т.е. характеристики такой схемы существенно хуже, чем характеристики источника тока с эмиттерным резистором.

Если же нужен более высококачественный источник тока (чаще всего таких требований не возникает), то подойдет схема, показанная на рис. 3. Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема - гораздо лучший источник тока, так как в ней изменения напряжения UБЭ, обусловленные изменениями напряжения UКЭ, оказывают пренебрежимо малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

Рис. 3

Токовое зеркало Уилсона.

Н

Рис. 4

а рис. 4 представлено еще одно токовое зеркало, обеспечивающее высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы Q1 и Q2 включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору Q3 потенциал коллектора транзистора Q1 фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания икк. Такое включение позволяет пода78вить эффект Эрли в транзисторе Q1; коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором Q2. Транзистор Q3 не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Q1.

В результате в токозадающих транзисторах Q1 и Q2 падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Q3 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным (аналогичный прием используют при каскодном включении). Кстати, транзистор Q3 не обязательно согласовывать с транзисторами Q1 и Q2.

Фирма Texas Instruments предлагает токовые зеркала Уилсона в виде законченных монолитных схем в удобных транзисторных корпусах типа ТО-92. Серия TL011 включает схемы, которые обеспечивают отношения 1:1, 1:2, 1:4 и 2:1, при этом диапазон устойчивости выходного напряжения определяется значениями от 1,2 до 40 В. Схема Уилсона обладает хорошими характеристиками источника тока - при постоянном программирующем токе выходной ток увеличивается только на 0,05% на вольт. К сожалению, эти полезные схемы существуют только на транзисторах n-p-n-типа.

Е

Рис. 5

ще один способ получения выходного тока, кратного управляющему, состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора. Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса-Молла, разность напряжений UБЭ, зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисторов отношение коллекторных токов равно отношению плотностей токов. График на рис. 5 позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случае и полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Собрать схемы, представленные на рисунках 1, 3 и 4. Значение управляющего тока и напряжения питания уточнить у преподавателя).

2. Измерить динамический диапазон и внутренние сопротивления.

При малых токах (токах коллектора до 200мА) можно использовать транзисторы npn типа: BC547, BC550, MJE350 и pnp типа: BC557, BC560B, MJE340.

При больших токах (порядка несколько ампер) используют транзисторы npn типа: 2N3055, 2N4063 и pnp типа: MJE4919, MJE4923, 2N4919, 2N5980, 2N6021, 2N6026.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1. Установить зависимость выходного тока от соотношения резисторов в схемах. Объяснить эти зависимости.

2. Объяснить назначение транзистора Q3 в схеме токового зеркала Уилсона.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какая схема обладает большим динамическим диапазоном?

2. Какая схема обладает большим внутренним сопротивлением?

3. Почему в таких схемах лучше использовать транзисторы, выполненные на одном кристалле?

4. Какая из схем потребляет большую мощность?

5. Зависит ли выходной ток от величины сопротивления нагрузки?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-2, М.:Мир,1983.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-3, М.:Мир,1993.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники. // Л.:Энергоатомиздат,1989.

4. Кар Дж. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры. // М.:Мир,1986.

5. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. // М.:Мир,1985.

6. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. // М.:Мир,1982.

7. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. // Т.1-2, М: Энергоатомиздат,1991.

8. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. // М.: Гелиос АРВ, 2002.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список элементов:

Описание	Название элемента	Название библиотеки
Сопротивление	R	Analog.slb
Транзисторы	NPN	PWRBJT.slb EBIPOLAR.slb
Источник питания	VSRC	Sourse.slb
Источник синусоидального сигнала	Vsin	Sourse.slb
“земля”	AGND	Port.slb
Соединители	Bubble	Port.slb

5