4.4. Токовое зеркало Уилсона

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток зависит от изменения напряжения на нагрузке. Это связано с проявлением эффекта Эрли. Схема токового зеркала Уилсона, показанная на рис.4.6, позволяет подавить эффект Эрли.

Транзисторы VT1 иVT2 включены как и в обычном токовом зеркале. Благодаря транзисторуVT3 потенциал транзистораVT1 фиксирован на уровне

U_{к VT1}=U_п–U_{бэ VT2}–U_{бэ VT3}=U_п– 2U_бэ.

Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзистореVT1, коллектор, которого служит для задания режимов работы схемы. Управляющий токI_убудет равен

I_у=U_{к VT1}/R1.

Выходной ток определяется транзистором VT2.

I_{к VT2} =I_у.

Коллекторный ток транзистора (ток нагрузки) VT3 равен току коллектора транзистораVT2, если базовый токVT3 пренебрежимо мал.

При изменении величины сопротивления нагрузки изменяется напряжение U_кэтранзистораVT3, а в токозадающих транзисторахVT1 иVT2 напряжения на коллекторах фиксированы. Таким образом устраняется влияние эффекта Эрли на работу схемы. ТранзисторVT3 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку и играет такую же роль, как и в схеме "каскод". ТранзисторVT3 не обязательно должен быть согласован по параметрам с транзисторамиVT1 иVT2.

4.5. Схема с несколькими источниками тока

В аналоговой схемотехнике часто необходимо иметь несколько источников тока. Например в схемах цифро – аналоговых преобразователях нужны разрядные источники тока, взвешенные по двоичному закону. На рис.4.7 показана схема токового зеркала из нескольких источников тока.

Рассмотрим работу схемы сначала без транзистора VT1. Вместо него коллектор транзистораVT2 соединен с его базой. На рисунке это соединение показано пунктирной линией. В этом случае имеем обычный источник токовое зеркало. ТранзисторVT2 и резисторR2 служат опорным источником тока для транзисторовVT3 –VT6. Отметим, базы транзисторовVT3 –VT6 соединены между собой и имеют один и тот же потенциал. Кроме того, нижние выводы резисторовR2 –R6 подсоединены к одному источнику отрицательного напряжения питания. Если один из транзисторов – источников тока переходит в режим насыщения ( в том случае, например, когда отключается от нагрузки). то его база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить, если вместо перемычки, показанной на схеме пунктирной линией, включить еще один транзисторVT1. Этот транзистор играет роль усилителя тока, то есть это обычный эмиттерный повторитель.

Работу схемы проиллюстрируем примером расчета источника тока со взвешенными по двоичному закону разрядных токов.

Пример.ПустьI_у= 1 мА,I₁= 1 мА,I₂= 2 мА,I₃= 4 мА,I₄= 8 мА, а падение напряжения на всех резисторах за исключениемR1, 4 В. Тогда

R2 =R3 = 4 В / 1 мА = 4 кОм,

R4 = 4 В / 2 мА = 2 кОм,

R5 = 4 В / 4 мА = 1 кОм,

R6 = 4 В / 8 мА = 0,5 кОм.

Если U_п= +10 В и -U_п= -10 В, то падение напряжения наR1 будет равно

U_R2= 2U_п-U_R2–U_{бэ VT1}-U_{бэ VT2}= 20 В – 4 В - 1,4 В = 14,6 В.

Величина резистора R1 равноR1 =U_R2/I_у= 14,6 В/ 1 мА = 14,6 кОм.

Пусть коэффициент βвсех транзисторов будет равен 100, тогда суммарный базовый ток транзисторовVT2 –VT6 равен

I_б = (I_у + I₁ + I₂ + I₃ + I₄) / β = ( 1 +1 +2 + 4 + 8) мА / 100 = 0,16 мА.

Если бы не было транзистораVT1, токI_учерезR1 был бы на 0,16 мА больше, чем черезVT2. Чтобы уменьшить различие токаI_уи тока транзистораVT2, используют транзисторVT1, уменьшающий ток, который отбирается отI_ув базы транзисторовVT2 –VT6. ЕслиβтранзистораVT1 равно 100, то полный базовый ток, который отбирается отI_ууменьшается до 0,16 мА / 100 = 1,6 мкА. Следовательно разность тока транзистораVT2 иI_усоставит лишь 1,6 мкА или 0,16%.

6. Использование источников стабильного тока для смещения в усили тельных схемах

Рассмотренные схемы источников тока могут быть использованы для задания режима работы транзистора по постоянному току в усилительных схемах, то есть для задания смещения. На рис.4.8 показан пример использования схемы источника "токовое зеркало" для смещения в усилителе с общим эмиттером.

Резисторы R_буменьшают влияние переменного входного сигнала на потенциал коллектора токозадающего транзистораVT1. С другой стороныR_бобеспечивает дополнительную обратную связь, что также стабилизирует рабочую точку транзистора. Так при увеличении напряженияU_{бэ VT1}возрастает ток коллектора транзистораVT1, это приводит к уменьшению коллекторного напряжения, что в сою очередь приводит к уменьшению тока базы и снижению напряженияU_{бэ VT1}.

6. Контрольные вопросы

1. Что такое источник стабильного тока?

2. Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника тока?

3. Приведите типовую схему источника стабильного тока. Объясните работу схемы.

4. Чему равно внутреннее сопротивление типовой схемы источника стабильного тока?

5. Как можно повысить внутреннее сопротивление типовой схемы источника стабильного тока? Приведите схему.

6. Нарисуйте схему источника стабильного тока типа "каскод". Какое ее преимущество?

7. Какая особенность схемы источника тока "токовое зеркало"? Приведите схему и объясните ее работу.

8. Приведите схему источника тока "токовое зеркало" на транзисторах. Почему в схеме необходимо использовать согласованную пару транзисторов?

9. Нарисуйте схему токового зеркала Уилсона. Объясните работу схемы. Каковы свойства схемы?

10. Изобразите схему с несколькими источниками тока. В каких случаях следует использовать эту схему?

11. Как можно использовать источники тока для смещения напряжений в усилительных схемах?