24. Источники тока. Простое токовое зеркало. Разбаланс токов в ветвях.

Простое токовое зеркало.

Рис. 18 Схема простого токового зеркала на биполярных транзисторах

Запишем значение управляющего тока:

Найдем значение выходного тока в зависимости от тока управления. Т.к. в микроэлектронном исполнении транзисторы практически одинаковы и для схемы простого токового зеркала , следовательно . А управляющий ток определяется как . С учетом двух последних выражений можно записать:

, отсюда ;

Ф. 5

при =100 отношение , т.е. разбаланс составляет 2%.

при достаточном большом  . Благодаря последнему свойству эта схема источника тока и получила свое название - «токовое зеркало».

Предыдущий анализ транзисторной пары токового зеркала был проведён в предположении полной идентичности обоих транзисторов. Рассмотрим, что происходит в реальной ситуации, когда это предположение не выполняется. Например, даже у 2-х ИС - транзисторов идентичной конструкции, которые расположены в непосредственной близости друг к другу на одном кристалле ИС, существуют небольшие различия в электрических характеристиках. Наиболее важное различие между двумя идентичными транзисторами состоят в ширине базы W.

Это различие в ширине базы проявляется в различных коэффициентах усиления по току и становится причиной появления напряжения смещения U_см.

25. Разновидности схем простого токового зеркала: токовое зеркало с уменьшенным значением выходного тока.

Ещё один способ получения выходного тока, кратного управляющему, состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора.

Рис. 19 Схема источника тока с уменьшенным значением выходного тока

Найдем отношение токов коллектора для этой схемы См. Рис. 19

Найдем отношение токов коллектора:

; или в другом виде Ф. 6

Таким образом управляющий ток и выходной ток связаны соотношением:

Ф. 7

По этой формуле, зная необходимое значение выходного тока можно рассчитать значение сопротивления R_Э2.

Т.о. введение резистора в цепь эмиттера позволяет получить малые значения выходного тока. Это очень важно, т.к. во многих интегральных схемах требуются токи порядка микроампер или меньше. И если использовать схему простого токового зеркала, то в качестве управляющего сопротивления необходимо применять мегаомные сопротивления, изготовление которых в полупроводниковых интегральных схемах невозможно или сопряжено с определенными трудностями.

Кроме уменьшения значения выходного тока при неизменном управляющем токе, введение резистора в цепь эмиттера изменяет в лучшую сторону значение выходной проводимости.

Для расчета выходной проводимости g₀ для этой схемы источника тока необходимо записать полное уравнение для выходной проводимости транзистора (стр.564, Соклоф «АИС»).

Для этой схемы I_К=I_ВЫХ, Z_Э=R_Э2, Z_Б -динамическое сопротивление относительно базы VT2, состоящее из параллельно включенного сопротивления R_УПР и динамического сопротивления транзистора VT1 в диодном включении. Сопротивление транзистора в диодном включении определяется по формуле:

Т.к. r_а<<R_УПР, то . И с учетом того, что и выражение для выходной проводимости примет вид

Произведя замену в соответствии с Ф. 6:

и с учетом того, что , получим следующее выражение для выходной динамической проводимости:

Ф. 8

Найдем относительное изменение выходного тока в % по формуле:

и если сравнить полученное выражение с аналогичной формулой для простого токового зеркала (см. Ф. 3), то видно, что введение резистора в цепь эмиттера уменьшает относительное изменение выходного тока в раз.

Найдем коэффициент влияния источника питания для данной схемы. Нам известно следующее выражение связывающее выходной и управляющий ток:

Возьмем производную управляющего тока по выходному току:

Произведя замену с учетом Ф. 6 получим следующее выражение производной выходного тока:

Или в другом виде:

Разделив левую и правую часть на I_ВЫХ, а затем умножив на I_УПР получим следующее выражение:

Разделив левую и правую часть на U_ПИТ получим выражение для К_ВИП:

Т.о. К_ВИП данной схемы меньше К_ВИП.ТЗ в раз.

Рассчитаем температурную нестабильность выходного тока источника тока с уменьшенным значением выходного тока. Для этого необходимо взять производную от выходного тока по температуре с учетом того, что управляющий ток зависит от температуры и _T прямо пропорционально зависит от температуры:

Разделив левую и правую часть на I_ВЫХ получим следующее выражение:

или

Перенесем выражение с ТКI_ВЫХ в левую часть и выразим ТКI_ВЫХ:

Ф. 9