Схемотехника / Аналог / Аналоговая схемотехника

Входное сопротивление определяется как rВХ = (CЭКВ. ВХ × w)−1 . При ω → 0 получим, что rВХ ® ¥ .

На рис.2.19 приведена окончательная эквивалентная малосигнальная схема включения n-МОП-транзистора с ОС.

С

Рис.2.19. Окончательная эквивалентная малосигнальная схема включения n-МОП-транзистора с ОС

Отсюда дифференциальная выходная проводимость с учетом нагрузочного сопротивления равна:

Это показывает, что AU чуть меньше 1.

31

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

3. Источники постоянного тока

Идеальный источник постоянного тока (ИПТ) - это устройство, которое выдает постоянный ток при любой нагрузке и условиях эксплуатации.

3.1. Основные параметры

Идеальный ИПТ характеризуется величиной и направлением тока (рис.3.1).

Рис.3.1. Идеальный источник постоянного тока: а - условное обозначение; б - ВАХ

Подобную ВАХ можно получить, используя линейный участок выходной характеристики транзистора: зависимость IК ~ UКЭ биполярного транзистора, работающего в НАР (рис.3.2,а), или зависимость IС ~ UСИ полевого транзистора, работающего в пологой области (рис.3.2,б).

Рис.3.2. ВАХ источника постоянного тока: а - биполярный транзистор; б - полевой транзистор

Рис.3.3. Реальный источник постоянного тока: а - эквивалентная модель; б - выходная характеристика

32

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Для реального ИПТ можно выделить несколько основных параметров, характеризующих его неидеальность (рис.3.3):

1)минимальное выходное напряжение, при котором источник тока имеет высокое дифференциальное выходное сопротивление UВЫХ min;

2)диапазон изменения выходного тока

IВЫХ min ¸ IВЫХ max ;

3) зависимость выходного тока от напряжения питания (чувствительность к напряжению питания)

¶IВЫХ / ¶UИП ;

4) дифференциальная выходная проводимость источника тока

gВЫХ = ¶IВЫХ / ¶UВЫХ = DIВЫХ / DUВЫХ .

У идеального источника тока gВЫХ ® 0 (т.е. rВЫХ ® ¥ );

wГР = 2pfГР = 2p/T » 2p/(RВЫХ экв ×СВЫХ экв) .

3.2. Реализация источников постоянного тока на биполярных транзисторах

3.2.1. Обычный источник постоянного тока

ИПТ можно реализовать, используя включение транзистора с общим эмиттером

(рис.3.4).

Для задания режима работы транзистора используется резистивный делитель:

UБЭ = UБЭН = UИП × R2 /(R1 + R2 ) .

Тогда при условии, что транзистор работает в НАР, получим

IВЫХ = aN IЭ = aN IЭ0 exp(UБЭН / mjТ )

или после подстановки UБЭ

IВЫХ = aN IЭ0 exp(UИП R2 /(R1 + R2 )× mjТ ) .

33

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

В этой схеме выходной ток экспоненциально зависит от изменений напряжения питания. Для стабилизации значения тока вводится сопротивление R3 в цепь эмиттера

(рис.3.5):

В схеме на рис.3.5 за счет резистора R3 линеаризована зависимость выходного тока IВЫХ от напряжения источника питания UИП.

Рассмотрим схему ИПТ с включением транзистора с общей базой (рис.3.6):

Рис.3.6. Схема ИПТ с общей базой

IВЫХ = aN IЭ ; IЭ = IR1 ;

IR1 = (UИП -UБЭН ) / R1 .

Отсюда

IВЫХ = aN ×(UИП -UБЭН ) / R1 ;

UБЭН = mjT ln(IЭ / IЭ0 ) .

Всхеме, приведенной на рис.3.6, выходной ток чувствителен к изменению напряжения питания.

34

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

3.2.2. Токовые зеркала

Токовым зеркалом называется схема с одним задающим током и одним или несколькими выходами, выходной ток которых повторяет входной по направлению и с коэффициентом передачи по величине. Токовые зеркала широко применяются в

проектировании для задания начального статического смещения и в качестве активной нагрузки в аналоговых блоках. При разработке токовых зеркал коэффициент передачи тока задают путем выбора размеров выходных транзисторов.

Простое токовое зеркало. На рис.3.7 приведена схема токового зеркала, построенная по принципу отражения токов согласованными элементами.

Рис.3.7. Схема обычного токового зеркала

Оба транзистора, включенные с ОЭ, объединены базами. При этом транзистор Т1

находится в диодном включении и фиксирует напряжение на открытом эмиттерном переходе транзистора Т2.

Если площади эмиттеров тран-зисторов одинаковые SЭ1 = SЭ2 , то при UБЭ1 = UБЭ2

получим IБ1 = IБ2 = IБ и IЭ1 = IЭ2 = IЭ .

Задающий ток IR1 в соответствии со схемой соединения элементов равен:

Так как IR1 = (UИП −UБЭН ) / R1 , то

35

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Поскольку температурные коэффициенты сопротивления и напряжения эмиттер - база противоположны по знаку:

¶¶TR = +2×10−3 [Ом/oС],

¶UБЭ = -2×10−3[B/oC],

¶T

температурная зависимость выходного тока может быть больше или меньше нуля.

Для определения частотного диапазона работоспособности этой схемы рассчитаем граничную частоту, определяемую как частоту первого излома частотной характеристики. Так как источники постоянного тока используются в качестве нагрузок, важно знать

частотную зависимость выходной полной проводимости

Z −1 = gВЫХ + jwCЭКВ .

Так как ω = 2πf , то в точке излома можно определить следующие параметры: - g( f ) = 2pfCЭКВ - выходная комплексная проводимость;

- gВЫХ = IВЫХ /U A - дифференциальная выходная проводимость.

Токовое зеркало Бокса - Уилсона. Рассмотрим более совершенную схему токового зеркала Бокса - Уилсона (рис.3.9),

Рис.3.9. Схема токового зеркала Бокса - Уилсона

характеризующуюся единичным соотношением токов и высоким эквивалентным выходным сопротивлением.

37

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

IR1 = UИП -UБЭ2 -UБЭ3

R1 .

Если SЭ1 = SЭ3 и SЭ3 = SЭ2 , то

IR1 = IК1 + IБ2 = IК + IБ,

IВЫХ = IК2 = IЭ2 - IБ2.

Так как

IЭ2 = IК3 + IБ1 + IБ3 = IК + 2IБ ,

то IВЫХ = IК + 2IБ - IБ = IК + IБ .

Следовательно IВЫХ = IR1 .

Дифференциальная выходная проводимость пересчитывается в соответствии с формулой расчета дифференциальной проводимости коллектора при наличии сопротивления в эмиттере:

Рис.3.10. Малосигнальная эквивалентная схема токового зеркала Бокса - Уилсона

38

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

зеркале, т.е. улучшен один из основных параметров токового зеркала.

Составное токовое зеркало. На рис.3.11 приведена схема составного токового зеркала, в которой транзисторы Т1 - Т3 находятся в диодном включении и обеспечивают необходимые опорные напряжения на базах транзисторов Т4 и Т5, работающих в НАР.

Рис.3.11. Схема составного токового зеркала

Подсхемы, выполненные на элементах R2, Т3, Т5 и R1, Т1, Т4, являются обычными токовыми зеркалами. Таким образом, одна подсхема токового зеркала управляет работой другой. Коллекторный ток Т5 обеспечивает смещение транзистора Т4. Диодное включение транзисторов Т1 - Т3 обеспечивает падение напряжения на UБЭ4, UБК5 и UБЭ5 для НАР. Ток, протекающий через R1, равен

Падение напряжения на эмиттерном переходе Т3 определяет напряжение на базе транзистора Т5:

UБЭ3 = UБЭ5 + IR2R2 .

Так как коллекторный ток транзистора, работающего в НАР, равен:

IК = αN IЭ = αN IЭ0ехр UБЭ mϕТ ,

то

39

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Таким образом, можно реализовать токовое зеркало на 10 мкА. При этом минимальное выходное напряжение равно:

UВЫХ min = 3UБЭН -UБКН = 3×0,7 - 0,5 =1,6 В .

Основное отличие составного токового зеркала от простых схем в его очень низкой выходной проводимости:

Токовое зеркало на несколько выходов. Часто при функциональной реализации устройства требуется передача тока в несколько нагрузок. В этом случае предлагается использовать схему токового зеркала на несколько выходов (рис.3.12). В ней с помощью элементов R1, R2, T1, T2 реализуется подсхема, формирующая опорное напряжение на базах выходных транзисторов, т.е. для нескольких выходов используется единая

Рис.3.12. Схема токового зеркала на несколько выходов

40

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com