Учебное пособие «Микросхемотехника Аналоговая микросхемотехника»

тивление, примерно равное rэ . Здесь rэ представляет собой

диффузионное сопротивление перехода база-эмиттер, связанного с соответствующим сегментом коллектора.

UИП	UИП
а	б

Рисунок 2.11 — Многоканальные источники тока

с многоколлекторными дополняющими p-n-p-транзисторами

Многоколлекторные p-n-p-структуры пригодны для построения таких источников, малый выходной ток которых практически не зависит от напряжения питания. Один из возможных вариантов решения такой задачи показан на рисунке 2.12.

Здесь транзисторы VT1, VT2 и VT3 используются в качестве стабилизатора тока с обратной связью, а транзистор VT4 — в качестве диода. Практически постоянный ток, протекающий от первого к последнему транзистору, не зависит от напряжения +UИП.

Следовательно, коллекторный ток транзистора VT5 тоже не зависит от напряжения питания.

Существует много схем источников тока на МОП-транзис- торах, похожих на схемы источников на биполярных транзисторах. Простой пример — схема на рисунке 2.13, использующая токовое зеркало на МОП-транзисторе.

Здесь имеем Iвх UИП UИП Uзи .

R1

– 31 –

Если транзисторы VT1 и VT2 согласованы, то Iвых Iвх , при-

чем должно выполняться условие, что транзистор VT2 работает в области насыщения.

UИП

Рисунок 2.12 — Источник тока на основе комплементарных транзисторов

UИП

Iвх

Iвых

R1

			VT1				VT2

UИП

Рисунок 2.13 — Источник тока на МОП-транзисторе

Если транзисторы VT2 и VT1 идентичны, за исключением ширины каналов, то отношение токов должно подчиняться равен-

– 32 –

ству	Iвых	w2	, где w	и w	— ширина каналов транзисторов VT1
	Iвх	w1	1	2

и VT2 соответственно. Это ассоциируется со схемой токового зеркала на биполярном транзисторе, где подбираются активные площади транзисторов S2 и S1, чтобы выполнялось равенство

Iвых S2 .

Iвх S1

Другой пример источника тока на МОП-транзисторах — составной источник тока, показанный на рисунке 2.14.

UИП

Iвх

Iвых

UИП

Рисунок 2.14 — Составной источник тока на МОП-транзисторах

Это, по существу, схема рисунка 2.6,б, в которой биполярные транзисторы заменены МОП-транзисторами. Главное преимущество этого источника, по сравнению с предыдущей более простой схемой, заключается в существенно более низкой динамической выходной проводимости и, следовательно, в значительно более качественной стабилизации тока. Это, однако, происходит за счет некоторого уменьшения диапазона линейного изменения напряжения.

– 33 –

2.3. аТЪУ˜МЛНЛ ФУТЪУflММУ„У М‡ФрflКВМЛfl

Существует два основных способа реализации источников напряжения, которые позволяют создавать схемы, близко аппроксимирующие характеристики идеальных источников постоянного напряжения.

Один способ базируется на использовании свойства транзистора преобразовывать импеданс, что в свою очередь связано со свойством усиления транзистора по току. Другой способ базируется на свойствах усилителя с отрицательной обратной связью.

Источник напряжения с преобразованием импеданса транзистора представлен на рисунке 2.15.

Rи

Uвх

Uвых

Рисунок 2.15 — Источник напряжения с преобразованием импеданса транзистора

Проведем анализ изменения выходного напряжения Uвых по мере изменения выходного тока Iвых . Предположим, что Iвых возрастает на малую величину dIвых. Это вызовет увеличение базово-

го тока на dIб dIэ1, что в свою очередь приведет к возрастанию на сопротивлении источника Rи падения напряжения на величину

dI	R		dIвыхRи	. Возрастет и падение напряжения между базой
	б и		1

и эмиттером транзистора на величину dUбэ dUбэ dΙэ.

dIэ

– 34 –

Величина dUбэ представляет собой динамическое сопротив- dΙэ

ление перехода базаэмиттер. Динамическое сопротивление перехода база-эмиттер можно определить из следующих соотношений.

Для транзистора в активном режиме Iэ I

, откуда

к IT exp Uбэ

T

dΙэ

dΙк

Ιэ

и, следовательно,

dUбэ

r

T

T

. Тогда

dU

бэ

dU

бэ

dΙ

э

э

Ι

э

Ι

вых

T

полное изменение выходного напряжения будет определяться выражением

dU

вых

dΙ

б

R dU

бэ

dΙвыхRи

dΙ

r .

(2.17)

и

1

вых э

Выходное сопротивление схемы на рисунке 2.15

r

dUвых

Rи

r .

(2.18)

1

вых

dΙвых

э

Из выражения (2.18) следует, что в связи с наличием усиления транзистора по току значение сопротивления Rи по отношению к

выходу уменьшается в 1 раз и становится равным Rи1.

Для

примера предположим,

что

R 103

Ом,

I

вых

5

мА,

Uвых 10

В, 100 , dΙвых 1 мА.

и

Тогда dUвых

10

3

1 103

25 10 3

15 10

3

В.

100

1

5 10

3

Следовательно, увеличение выходного тока на 1 мА вызо-

вет уменьшение

выходного

напряжения

на

15

мВ,

или

на

15 мВ/мА 100 %

0,15

%

.

10 В

мА

Данные соотношения верны при малых изменениях выходного тока.

Проведем анализ изменения выходного напряжения при больших изменениях выходного тока. Экспоненциальное соотношение между током и напряжением база-эмиттер для транзистора

– 35 –

имеет вид

Ι

Ι

Ι

exp

Uбэ

, откуда U

ln

Ιэ

. Измене-

э

к

T

бэ

T

Ι

T

T

ние напряжения Uбэ, связанное с изменением выходного, или эмиттерного, тока от значения I1 до I2 , определяется соотноше-

нием

U

ln

Ιэ2

ln

Ιвых2

. Следовательно, полное из-

бэ

T

Ιэ1

T

Ιвых1

менение выходного напряжения, вызываемое изменением выходного тока от Iвых1 до Iвых2 , определяется выражением

U	вых	Iвых2 Iвых1	Rи	ln		Iвых2	.	(2.19)
		1	T			Iвых1

Предположим, что Iвых1 = 1 мА, Iвых2 = 5 мА, тогда

Uвых	5 10 3	1 10 3	103	25 10	3		5 10 3			80	мВ,
	100 1					ln	1 10	3

что соответствует уменьшению напряжения на 0,8 %. Использование усилителя с отрицательной обратной связью

(рисунок 2.16) позволяет получить очень низкий импеданс на выходе и тем самым обеспечить хорошую стабильность по нагрузке источника напряжения.

Rи

Ku

	Uвх	Uвых

Рисунок 2.16 — Источник постоянного напряжения

снизким импедансом на выходе

Вэтой схеме Ku — коэффициент усиления усилителя без обратной связи, Rи — выходной импеданс усилителя без обратной связи. Выходное напряжение схемы на рисунке 2.16 определяется

–36 –

	выражением Uвых UвхKu		IвыхRи	,	где	Rи		— выходное со-
			Ku 1			Ku 1
	Ku 1

противление схемы при наличии обратной связи.

Обычно Ku >>1 и, следовательно, выходное сопротивление

при наличии обратной связи много меньше, чем при ее отсутствии.

Источник напряжения должен иметь очень низкий динамический выходной импеданс, чтобы выходное напряжение очень мало изменялось при изменении выходного тока. Кроме того, необходимо, чтобы у источников или стабилизаторов напряжения выходное напряжение как можно меньше зависело от напряжения питания. На рисунке 2.17 приведен простой пример схемы, обладающей такими свойствами.

UИП

I0		UИП
		Ku
	Uст	Uвых

Рисунок 2.17 — Источник напряжения с подачей смещения через источник тока для ослабления влияния напряжения питания

В этой схеме стабилитрон смещен источником тока I0 . Изменение напряжения питания dUИП вызовет небольшое изменение тока dΙ0 g0dUИП, где g0 — динамическая выходная проводи-

мость источника тока.

Это приведет к изменению тока через стабилитрон dΙст dΙ0 , что в свою очередь изменит падение напряжения на

– 37 –

dUст RдифdΙст R дифdΙ0 g0RдифdUИП,

где Rдиф — дифференциальное сопротивление стабилитрона

( Rдиф 2 50 Ом).

Отношение изменения напряжения Uвых к изменению напря-

жения питания UИП имеет вид
	dUвых		dUст	g		R .	(2.20)
	dUИП		dUИП			0 диф
Для примера, если	R 10	Ом, g		0	100 нСм, то		dUвых 10 6 ,
	диф						dUИП

а это значит, что изменение напряжения питания на 1,0 В изменяет выходное напряжение всего лишь на 1 мкВ.

На рисунке 2.18 показан источник напряжения, в котором падение напряжения между базой и эмиттером используется как опорное.

UИП

I0 Iвых

Uвых

Рисунок 2.18 — Источник напряжения с использованием падения напряжения между базой и эмиттером

как опорного напряжения

Если предположить, что базовый ток мал, то выходное напряжение будет связано с напряжением транзистора Uбэ соотно-

шением

– 38 –

dUвых

	Uбэ R1 R2				R1
Uвых			Uбэ 1			.	(2.21)
	R2				R2

Изменение выходного напряжения dUвых изменит ток через делитель напряжения R1 R2 на R1 R2 . Это изменение тока в свою очередь вызовет приращение напряжения Uбэ транзистора

на dUбэ dUвыхR2 , которое вызовет изменение тока, протекаю-

R1 R2

gтR2

щего через транзистор, на dΙк gтdUбэ

dUвых, где gт —

R1 R2

dΙэ

dΙк

динамическая выходная проводимость

gт

.

dUбэ

dUбэ

Полное изменение тока

1

gтR2

dΙвых dUвых

dUвых 1 gтR2 .

(2.22)

R1 R2

R1 R2

R1 R2

Следовательно, динамическое выходное сопротивление

r

dUвых

R1 R2

.

(2.23)

вых

dΙвых

1 gтR2

Поскольку dUвых

R1 R2

, то для динамического выходного

R2

dUбэ

сопротивления справедливо также выражение

rвых

dUвыхR2

.

(2.24)

dUбэ 1 gтR2

Если gтR2 1, что обычно имеет место, можно записать

r

dUвых

dUвых T .

(2.25)

dUбэgт

вых

dUбэIк

Выходное напряжение источника на рисунке 2.18 практически не зависит от напряжения питания вследствие небольшой динамической проводимости источника тока.

– 39 –

Изменение напряжения источника питания dUИП изменит ток источника постоянного тока на dΙ0 g0dUИП, где g0 — динами-

ческая выходная проводимость источника тока. Это изменение тока также действует на выходное напряжение Uвых, как равное ему

изменение тока Ι0 . Следовательно, dUвых r0dΙ0 rвыхg0dUИП, от-

куда в конечном итоге получаем dUвых g0rвых . dUИП

Если, например, Ιк 1,0 мА, dUвых 1,0 В, Uбэ = 0,65 В, g0

= 1,0 мкСм, то dUвых 39 10 6 39 мкВ/В. Таким образом, изме- dUИП

нение напряжения питания на 1,0 В изменит выходное напряжение только на 39 мкВ.

Во многих случаях схему источника опорного напряжения используют для подачи напряжения на источник напряжения. Эту комбинацию схем называют стабилизатором напряжения. Стабилизатор напряжения сочетает низкий температурный коэффи-

циент выходного напряжения		ТКН		dUвых		, низкий выход-
		Uвых		dT

ной импеданс (то есть хорошую стабильность по нагрузке) и хорошую линейную стабилизацию.

Поскольку все электронные компоненты, используемые в схемах опорного напряжения, имеют некоторый ТКН, основные компоненты подбирают так, чтобы имели место компенсирующие эффекты, приводящие, по крайней мере, к ТКН = 0 при данной температуре. Пример схемы с такими компенсирующими компонентами показан на рисунке 2.19.

Падение напряжения на транзисторе VT1 — это напряжение пробоя перехода между эмиттером и базой, которое обычно составляет 6–7 В. Выходное напряжение определяется выражением

Uвых	Uэ2R2		Uк3R1	.
	R1 R2
			R1 R2

Токи транзисторов VT4, VT2 и VT3 фактически одинаковы, поскольку падение напряжения Uбэ и, что более важно, темпера-

– 40 –