Вопрос 1. Токовые зеркала. Назначение, принципы построения и работы.

От схемы смещения с использованием согласованной пары транзисторов легко перейти к так называемому токовому зеркалу (рис. 1.1).

 

 

Рисунок 1.1 - Классическая схема токового зеркала на основе согласованной пары биполярных транзисторов.

Отметим, что положительное питающее напряжение принято обозначать U_KK, даже в тех случаях, когда используются транзисторы р-n-р типа.

Принцип рабы схемы токового зеркала. Работа токового зеркала «программируется» путем задания коллекторного тока транзистора T₁. Напряжение U_БЭ для T₁ устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Т₂, согласованный с транзистором Т₁ (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для T₁. Небольшими базовыми токами можно пренебречь.

Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен U_KK 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. Легче всего получить управляющий ток I_прс с помощью резистора (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 – Токовое зеркало

 

В связи с тем, что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падение напряжения на которых мало по сравнению с U_KK, резистор 14,4 кОм формирует управляющий, и следовательно выходной ток величиной 1 мА. 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;

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.

 

Вопрос 2 Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли. Улучшенная схема токового зеркала.

 

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 Т2 напряжение U_БЭ 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. 2.1).

Практически ток может изменяться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы, т. е. характеристики такой схемы существенно хуже, чем характеристики рассмотренного выше источника тока с эмиттерным резистором.

Если же нужен более высококачественный источник тока (чаще всего таких требований не возникает), то подойдет схема, показанная на рис. 2.2.

Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема

Рисунок 2.1 - Выходные ВАХ

 

Улучшенная схема токового зеркала. Гораздо лучший источник тока, так как в ней изменения напряжения U_БЭ, обусловленные изменениями напряжения U_КЭ, оказывают пренебрежимо малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

 

Рисунок 2.2 - Улучшенная схема токового зеркала.

Токовое зеркало Уилсона.

 

    На рис. 2.3 представлено еще одно токовое зеркало, обеспечивающее высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы Т₁ и Т₂ включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору Т₃ потенциал коллектора транзистора Т₁ фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания U_KK. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе Т₁, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором Т₂. Транзистор Т₃ не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Т₁.

 

Рисунок 2.3 - Токовое зеркало Уилсона.

    Влияние изменений напряжения на нагрузке на выходной ток подавлено за счет каскадного включения транзистора Т₃, которое позволяет уменьшить изменения напряжения транзистора T₁.В результате в токозадающих транзисторах Т₁ и Т₂ падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Т₃ можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным. Кстати, транзистор Т₃ не обязательно согласовывать с транзисторами Т₁ и Т₂.