Полупроводниковые источники стабильного тока.

При проектировании полупроводниковых устройств часто необходимо использовать источники стабильного тока. Из электротехники известно, что источником тока называют устройство, которое отдает в нагрузку неизменный ток при изменяющейся величине нагрузки (изменяется сопротивление нагрузки). Как следствие основного свойства такое устройство должно обладать большим внутренним сопротивлением, превышающим сопротивление нагрузки в сотни и тысячи раз.

Возможность построения подобных устройств выявляется при рассмотрении выходных характеристик как биполярных, так и полевых транзисторов. Рассмотрим возможности построения источника тока на биполярном транзисторе. На рис. 68 приведена выходная характеристика с нанесенной на нее нагрузочной линией.

Как видно из рисунка сопротивление нагрузки включено в коллекторную цепь транзистора, а в базу подается неизменный ток Iб. Точка пересечения нагрузочной линии, положение которой определяется напряжением источника питания Uп1 и током короткого замыкания Iкз1, и выходной характеристики транзистора определяет ток нагрузки Iст. Если изменим напряжение питания на Uп2, то изменится и ток короткого замыкания до Iкз2, но ток нагрузки практически не измениться. Это объясняется тем, что выходная характеристика в пределах изменения положения нагрузочной линии остается практически горизонтальной, т. е. ток нагрузки Iст не измениться. Такая же картина наблюдается, если изменять сопротивление нагрузки. При этом будет изменяться ток короткого замыкания Iкз2, Iкз3, но ток Iст практически не измениться. Однако нужно учитывать, что при существенном возрастании сопротивления нагрузки транзистор из линейного режима переходит в режим насыщения, характеризующийся тем, что величина тока нагрузки определяется величиной сопротивления нагрузки и практически не зависит от тока базы (точка Iкз4).

Таким образом, если ток базы поддерживать неизменным и создавать линейный режим работы транзистора, то ток нагрузки, включенной в цепь коллектора, не будет зависеть от напряжения питания и от величины сопротивления нагрузки. Но нужно учесть, что для такой простейшей схемы ток нагрузки будет сильно зависеть от температуры кристалла. Следовательно, в процессе работы при нагреве транзистора будет изменяться ток нагрузки.

Для компенсации температурного влияния целесообразно использовать схему с отрицательной обратной связью по току (см. рис. 69).

В отличие от предыдущей схемы в цепи эмиттера включен резистор для введения отрицательной обратной связи по току. Режим работы транзистора задается соотношением резисторов делителя напряжения R1и R2.

Выполним анализ для определения влияния факторов на нестабильность тока коллектора (нагрузки).

Анализ схемы дает возможность составить следующие уравнения.

dU_бэ=dU_б – dU_э, dI_k=dI_н=S*dU_бэ, dU_б=dU_п*R₂/(R₁+R₂).

Выполняя взаимные подстановки, получим:

dI_k=S*((dU_п*R₂/(R₁+R₂)) – dI_э*R_э),

dI_k=S* dU_п*R₂/(R₁+R₂) – S*dI_k*R_э – S*dI_б*R_э.

После группировки получим

dI_k=(1/(1/S+R_э))*((dU_п*R₂/(R₁+R₂)) – dI_б*R_э).

Последнее уравнение показывает, что изменение тока коллектора (тока нагрузки) возможно только под влиянием двух факторов: изменения напряжения питания – U_п, или изменения тока базы. Отсюда делаем вывод: чтобы получить неизменным ток в нагрузке необходимо поддерживать неизменным напряжение питания и неизменным ток базы. При выполнении приведенного анализа не учитывалось влияние температуры на работу транзистора.

Выходное сопротивление источника тока определяется соотношением r_вн = r_к * (1+ (β*R_э/[(R1 ║R2) + r_б + R_э])).

Так как в рассмотренной схеме не учитывали влияние температуры, то важно указать на то, что влияние температуры приводит к существенной нестабильности выходного тока даже при наличии обратной связи по току. Это объясняется тем, что при увеличении температуры кристалла напряжение Uбэ увеличивается на –2 мВ на градус Цельсия.

Для устранения недостатка предлагается между резистором R2 и базой транзистора включить диод в прямом смещении. Желательно этот диод выполнить на одном кристалле с транзистором, чтобы они имели одинаковую температуру. Подобная схема получила название "токовое зеркало".

Для контура R2 – VD – база-эмиттер VT – Rэ составим уравнение по второму закону Кирхгофа, U_R2 + U_VD = Uбэ + U_Rэ. Если задаться I_д ≥ 100*Iб, то I_д*R2 + U_VD = Uбэ + Iэ*Rэ. Пренебрегая током базы Iэ = Iн.

Iн = (U_VD – Uбэ + I_д * R2)/Rэ.

Учитывая, что диод и транзистор расположены на одном кристалле, следует ожидать равенство температур диода и транзистора, и равенство напряжений на диоде и на транзисторе.

Iн = (R2/Rэ)* I_д – ток нагрузки токового зеркала.

Отношение резисторов R2/Rэ называют коэффициентом отражения.

Лекция 10