Генераторы стабильного тока и напряжения. Низковольтные генератры стабильного тока
РАДИОЛЮБИТЕЛЮ-КОНСТРУКТОРУ
А. Аристов
ГЕНЕРАТОРЫ СТАБИЛЬНОГО МИКРОТОКА НА КРЕМНИЕВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Генераторы стабильного постоянного тока все чаще при-меняются в радиолюбительских конструкциях. Разра-ботано немало подобных генераторов, но в режиме мик-ротоков (от сотен долей микроампера) обычно исполь-зуют лишь известный генератор стабильного тока на полевом транзисторе. Его большая популярность объ-ясняется тем, что является двухполюсником и может быть без особых сложностей введен в любую . Одна-ко параметры такого генератора не всегда удовлетво-ряют конструктора и, кроме того, полевые транзисторы стоят намного дороже биполярных.
Вот почему члены радиокружка клуба юных техни-ков Первоуральского новотрубного завода, которым ру-ководит автор, решили испытать в режиме микротоков некоторые генераторы на кремниевых биполярных мало-мощных транзисторах. Результаты первых опытов были настолько обнадеживающими, что было предпринято специальное исследование, в ходе которого пришлось испытать многие известные устройства на одном или двух транзисторах, а также их варианты. Испытанные генераторы надежно работали при токах до долей мик-роампера и обладали несколько лучшими параметрами по сравнению с генератором на полевом транзисторе. В настоящей статье описываются лишь некоторые из испытанных генераторов.
Рис. 1. Схема генератора ста-бильного микротока на полевом транзисторе
Полевой транзистор взят с начальным током стока 0,9 мА, напряжением отсечки 0,8 В и крутизной харак-теристики 1,1 /В. Биполярные транзисторы во всех последующих устройствах выбраны со статическим коэффициентом передачи тока, измеренным при фикси-рованном токе коллектора 1 мА, равным 100.
Рис. 3. Схема гене-ратора стабильно-го микротока с однополярным источником -ния
Рис. 4. Схема про-стого генератора стабильного мик-ротока
Рис. 5. Схема гене-ратора стабильно-го микротока на эмиттерном повто-рителе
Среди генераторов стабильного тока (как выясни- , микротока тоже), собранных на биполярных транзисторах, наилучшие параметры оказались у гене-ратора, схема которого приведена на рис. 2. Стабиль-ность его выходного тока (через нагрузку RH ) почти целиком зависит от стабильности напряжения питания U 1 и может быть достаточно высокой. Небольшое влия-ние температурной нестабильности напряжения на эмит-терном переходе (Uбэ) уменьшается при увеличении указанного напряжения питания. Динамическое выход-ное сопротивление генератора настолько велико, что удалось определить только гарантированную нижнюю границу его, реальное значение может быть в десятки раз больше.
Для иллюстрации возможностей генератора стабиль-ного микротока на основе эмиттерного повторителя слу-жит ждущий мультивибратор (одновибратор), собран-ный по схеме на рис. 7. В нем генератор выполняет роли усилителя, инвертора и элемента зарядки времязадаю-щего конденсатора С2. Благодаря генератору удалось получить заданную длительность выходного импульса (1 мс) при относительно небольшой емкости конденса- С2. Длительность импульса прямо пропорциональ-на номиналам деталей R 2, С2 и напряжению источника питания.
Разработан ждущий мультивибратор для того, чтобы удовлетворить потребность нашего радиокружка в эко-номичном импульсном устройстве, не потребляющем энергию в паузах между импульсами, надежном и ста-бильном в работе, чувствительном, простом по схеме, допускающем плавную регулировку (изменением сопротивления резистора R 2) длительности выходного им-пульса в широком диапазоне, способном работать на мощную нагрузку или при низком напряжении питания.
Входного импульса может быть неболь-шой, но достаточной для приоткрывания транзистора VT 2 настолько, чтобы приоткрылся транзистор VTL Тогда последует лавинообразный процесс насыщения транзистора VT 2, и напряжение на. выходе мультивибра-тора упадет практически до нуля. С2 нач-нет линейно заряжаться, а ток коллектора транзистора VT 1 линейно уменьшаться, пока не станет настолько ма-лым, что транзистор VT 2 начнет закрываться. В этот
В современной схемотехнике, особенно в интегральном исполнении, в качестве нагрузок широко используют источники тока или, как их ещё называют, генераторы стабильного тока (ГСТ). Для получения активных источников тока в качестве динамической нагрузки чаще всего используют отражатели тока (ОТ) -токовое зеркало.
Простейший генератор тока представлен на . Ток нагрузки равен:
I н -(U ст -U бэ)/R2
Выходное сопротивление такого источника равно выходному со противлению каскада с общим эмиттером. Недостаток такого источника - в относительно низком выходном сопротивлении и наличии эффекта модуляции h 2lэ под действием U к из-за изменения нагрузки.
Усовершенствованные в этом отношении генераторы тока показаны на . В первом случае - за счёт применения каскада, во-втором - усовершенствованного составного транзистора (рис.4) ("Азбука...", ч.1).
Однако наиболее простые двуполярные генераторы тока можно получить с применением полевых транзисторов ().
Характерная особенность ГСТ () - отсутствие стабилитрона как источника опорного напряжения. Выходной ток рассчитывают по формуле:
При токах нагрузки свыше 3 мА в качестве VT2 следует применять составной транзистор. Основной недостаток такого ГСТ - низкая температурная стабильность.
Простейший отражатель тока (ОТ) показан на . Выходное сопротивление R вых =r Кэ, а выходной ток I н =I on *h 21э /(h 21э +2) при условии равенства параметров транзисторов. Введение в эмиттеры транзисторов резисторов 1...2кОм практически сводит на нет эффект Эрли (изменение коллекторного тока до - 25% в зависимости от изменения напряжения на коллекторе).
В результате замены резистора R2 в схеме () на транзистор VT3 получим токовое зеркало Уилсона (). Опорный ток I оп =const, т.к. I б2 вычитается, а I б1 вновь добавляется. Динамическое выходное сопротивление такого ОТ значительно выше: R вых =I 21э *r кэ, отклонения тока значительно меньше и имеют величину 1/h 21э 2 . Меньше и критичность к разбросу параметров ЭРЭ.
1. Простейший генератор тока.
Ток нагрузки равен: I н -(U ст -U бэ)/R2. Выходное сопротивление такого источника равно выходному сопротивлению каскада с общим эмиттером. Недостаток - относительно низкое выходное сопротивление и наличие эффекта модуляции h 21э под действием U к из-за изменения нагрузки.
2. Усовершенствованные генераторы тока.
С каскодным включением.
С усовершенствованным составным транзистором.
3. Простые двуполюсные генераторы тока на ПТ.
4. ГСТ без стабилитрона.
Выходной ток равен: I н =0.66/R2; При токах нагрузки более 3 мА в качестве VT2 нужно применять составной транзистор. Недостаток - низкая температурная стабильность.
5. Двуполюсный ГСТ.
6. Простейший отражатель тока.
Выходное сопротивление Rвых=Rкэ, выходной ток I н =I on *h 21э /(h 21э +2) при условии равенства параметров транзисторов. Введение в эмиттеры транзисторов резисторов 1..2 к практически подавляет эффект Эрли (изменение коллекторного тока - 25% в зависимости от изменения напряжения на коллекторе).
7. Токовое зеркало Уилсона.
Опорный ток I оп =const , т.к. I б2 вычитается, а I б1 вновь добавляется. Динамическое выходное сопротивление такого отражателя тока значительно выше: R вых =r Кэ, отклонения тока значительно меньше и имеют величину 1/h 21э 2 . Меньше и критичность к разбросу параметров радиоэлементов.
Генератор на транзисторе является автогенератором электромагнитных колебаний.
Автоколебательные электромагнитные системы по описывающим их законам, аналогичны механическим автоколебательным системам. Под автоколебательной системой понимают такую систему, в которой при отсутствии внешнего периодического воздействия возникают и существуют сколь угодно долго периодические колебания.
Рационально начать изучение темы с повторения механических автоколебательных систем, так как физические основы механических и электромагнитных автоколебаний едины.
Примером механической автоколебательной системы являются маятниковые часы, модель которых изображена на рисунке 1а. В 1657 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил использовать изохронность колебаний маятника для создания равномерного движения стрелки на часах. Устройство, предложенное Гюйгенсом, в его главных чертах сохранилось до настоящего времени: маятник, поднятый груз, анкер и ходовое колесо (рисунок 1б). Обращаю внимание учащихся на то, что в основном маятник движется свободно, получая за период два толчка. Колебания возникают и поддерживаются самой колебательной системой, то есть являются автоколебаниями.
Рисунок 1
Анализируя работу данного механизма, выделяем основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем и объединяем их в блок-схему (рисунок 2)
Рисунок 2
Используя метод аналогий, переходим от механической автоколебательной системы к электромагнитной автоколебательной системе. Анализируем, что можно использовать в качестве источника энергии, клапана, колебательной системы в электрической цепи и как можно осуществить обратную связь между клапаном и колебательной системой. Одновременно на доске и в тетрадях заполняем таблицу 1.
Таблица 1.
Элементы автоколебательной системы |
Механическая автоколебательная система (маятниковые часы) |
Электромагнитная автоколебательная система (генератор на транзисторе) |
|
источник энергии |
поднятый груз |
батарея гальванических элементов |
|
транзистор |
|||
колебательная система |
колебательный контур |
||
Обратная связь |
через ходовое колесо |
индуктивная – через катушки |
Вспоминаем обозначения составляющих частей автогенератора (рисунок 3 а) и рисуем его схему (рисунок 3 б)
Рисунок 3
По данной схеме объясняем принцип работы генератора на транзисторе, подчеркнув в очередной раз, что это автоколебательная система. В момент подключения источника постоянного тока через коллекторную цепь транзистора проходит ток, заряжающий конденсатор колебательного контура. В контуре возникнут свободные электромагнитные колебания. Так как катушка колебательного контура индуктивно связана с катушкой обратной связи, то ее изменяющееся магнитное поле вызовет в катушке обратной связи переменную ЭДС такой же частоты, как и колебания в контуре. Эта ЭДС, будучи приложена к участку база – эмиттер, вызовет пульсацию тока в цепи коллектора. Так как частота этих пульсаций равна частоте электромагнитных колебаний в контуре, то они подзаряжают конденсатор контура и тем самым поддерживают постоянной амплитуду колебаний в контуре.
Собрав установку, изображенную на рисунке 4б можно продемонстрировать, что в автогенераторе без внешнего воздействия возникли электромагнитные колебания синусоидальной формы. Таким образом, в автогенераторе происходит преобразование энергии источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний.
Поскольку в контуре существуют свободные колебания, то для них контур представляет только активное сопротивление, а потому напряжение на участке эмиттер – коллектор и на участке база – эмиттер должны быть сдвинуты на 180°. Чтобы продемонстрировать это учащимся, необходимо поменять местами провода, подходящие к катушке обратной связи. В этом случае колебания в генераторе не возникнут.
Второе условие работы генератора заключается в следующем: Энергия, поступающая в контур из коллекторной цепи, должна полностью восполнить необратимые преобразования в нем энергии. Это условие обеспечивается обратной связью. Чтобы убедить в этом учащихся, надо приподнять и медленно удалить катушку обратной связи от катушки контура. На экране осциллографа видно, как постепенно уменьшается амплитуда колебаний в контуре и наконец колебания исчезают.
Рисунок 4
На основании проделанных опытов сформулируем вывод, что обратная связь в генераторе автоколебаний должна удовлетворять двум условиям:
а) энергия от источника должна поступать в такт с колебаниями в контуре;
б) поступающая от источника энергия должна быть равна ее потерям в контуре.
Завершаем изучение темы рассмотрением вопроса о применении электромагнитных автоколебательных систем
Метод аналогий при изучении данной темы позволяет не только лучше усвоить суть вопроса, но и, подчеркнуть единство физических закономерностей механических и электромагнитных колебаний.
Рассматриваемые разделы
Схемы цепей питания биполярных резисторов…………………………………………………………………………………..2
Схемы цепей питания полевых транзисторов……………………………………………………………………………………..5
Составные транзисторы…………………………………………………………………………………………………………………………6
Генераторы стабильного тока (ГСТ)………………………………………………………………………………………………………6
Генераторы стабильного тока на полевых транзисторах……………………………………………………………………8
Генераторы стабильного тока на полевых и биполярных транзисторах…………………………..………………9
Источники опорного напряжения……………………………………………………………………………………………………….10
Однокаскадные усилители……..…………………………………………………………………………………………………………..11
Двухкаскадные усилители….……………………………………………………………………………………………………………….13
Трехкаскадные усилители….……………………………………………………………………………………………………………….22
Четырехкаскадные усилители….…………………………………………………………………………………………………………27
Специальные усилители…..…………………………………………………………………………………………………………………29
Дифференциальные каскады (ДК)………………………………………………………………………………………………………30
Схемы цепей питания биполярных транзисторов
Рисунок 1. Подача напряжений смещения биполярного транзистора:
а) для n-p-n транзистора
б) другой вид графического представления
в) для p-n-p транзистора
Рисунок 2. Схемы с фиксированным смещением
а) с фиксированным током базы через R б
б) с фиксированным напряжением на базе
в) тоже с дросселем в цепи базы
Рисунок 3. Схемы биполярных транзисторов с автоматическим смещением (эмиттерная стабилизация):
а) основная
б) с дросселем в качестве нагрузки коллектора
в) в трансформаторном каскаде
г) с двухполярным питанием
Рисунок 4. Схемы питания биполярных транзисторов с автоматическим смещением (коллекторная стабилизация)
а) основная схема
б) с использованием фильтра
Рисунок 5. Схемы термокомпенсации точки покоя:
а), б) резистором с отрицательным температурным коэффициентом
в) резистором с положительным температурным коэффициентом
Рисунок 6. Схем термокомпенсации точки покоя:
а) включением диода в цепь базового делителя
б) включением диода в цепь базового делителя при наличии R э
в) в схеме с трансформаторным входом
г) включением диода в цепь обратной связи по постоянному току
Схема цепей питания полевых транзисторов:
Рисунок 7. Подача напряжения смещения в полевом транзисторе:
а) с фиксированным напряжением затвор-исток
б), в) с автоматическим смещением в цепи истока
г) с автоматическим смещением и с частичным включением в цепь истока
д) с делителем в цепи затвора
Составные транзисторы
Рисунок 8. Составные транзисторы:
а) Схема Дарлингтона
б) схема Нортона
в) с полевым транзистором
Генераторы стабильного тока (ГСТ)
Рисунок 9. Варианты схем токового зеркала:
а) ГСТ Уилсона
б) с регулировкой тока с резисторами в цепи эмиттеров
в) при низковольтном питании
Рисунок 10. ГСТ с повышенным выходным сопротивлением.
а) ГСТ, смещенный другим ГСТ
б) соединение транзисторов ОЭ-ОБ
в) для тока свыше 3 мА
г) двухвыводной ГСТ (встречное включение двух схем ГСТ [см. рис. 9(в)])
Генераторы стабильного тока на полевых транзисторах
Рисунок 11. ГСТ на полевых транзисторах:
а) простейшая схема
б) с увеличенным выходным сопротивлением
в) составной ГСТ ОИ-ОБ с увеличенным напряжением источника питания
Генераторы стабильного тока на полевых и биполярных транзисторах
Рисунок 12. Гибридные ИСТ:
а) с повышенной стабильностью выходного тока
б) с высоким выходным сопротивлением
Источники опорного напряжения
Рисунок 13. источники опорного напряжения:
а) с уменьшенным выходным сопротивлением
б) на многоэмиттерном транзисторе
в) с использованием перехода база-эмиттер
г), д) с регулируемым стабильным напряжением, последний с уменьшенным выходным сопротивлением, за счёт ООС на VT1
Однокаскадные усилители
Рисунок 14. Усилительные каскады с ОЭ:
а), б) с эмиттерной стабилизацией, без ОС по сигналу
в), г) с эмиттерной стабилизацией, и ОС по сигналу
д), е) с коллекторной стабилизацией
Рисунок 14. Усилительные каскады с ОК:
а) каноничная схема
б) с большим входным сопротивлением, не шунтируемым делителем
в), г) с двухполярным питанием и транзисторами разной проводимости
д) с токовым зеркалом в качестве генератора стабильного тока
Двухкаскадные усилители:
а), б), в) на комплиментарных БТ
г) на БТ одинаковой проводимости
Рисунок 16. Усилители по схеме ОЭ-ОЭ:
д), е) на БТ одинаковой проводимости
Рисунок 17. Усилители на ПТ и БТ:
в) на составном резисторе Дарлингтона
Рисунок 18. Усилители с повышенным входных сопротивлением:
в) на МОП ПТ
Рисунок 19. Повторители напряжений:
а), б) на ПТ и БТ
в) с динамической нагрузкой
Рисунок 20. Двухкаскадный усилитель с динамической нагрузкой.
Рисунок 21. Двухкаскадный усилитель с входным согласующим дифференциальным трансформатором и конечным каскадом по схеме Дарлингтона.
Рисунок 22. Усилители с последовательным питанием.
Рисунок 23. Усилитель с нейтрализацией входной емкости.
а) с емкостной связью
б) с гальванической связью
Рисунок 24. Двухкаскадный усилитель ОЭ-ОЭ
в) на транзисторах разной проводимости
Трехкаскадные усилители:
Рисунок 25. Трехкаскадные усилители:
а) усилители со структурой близкой к рис. 14(г)
б) усилитель с последовательным питанием
Рисунок 26. Усилитель с ПТ на входе
Рисунок 27. Усилитель на базе каскодной схемы с повышенным входным сопротивлением и структура Нортона.
Рисунок 28. Усилитель со скрещенным ОС
Рисунок 29. Усилитель с общей ОС.
Рисунок 30. Усилитель с Дифференциальным каскадом.
Рисунок 31. Усилитель с ПТ и общей ОС.
Рисунок 32. Усилитель с общей ОС
Рисунок 33. Усилитель с общей ОС
Четырехкаскадные усилители:
Рисунок 34. Усилитель с общей ОС и структурой близкой к рис. 14(д)
Рисунок 35. Усилитель с малым входным сопротивлением
Рисунок 36. усилитель на структурах ОЭ-ОК
Специальные усилители:
Рисунок 37. а) согласующий усилитель
б) нормирующий усилитель
Дифференциальные каскады (ДК):
Рисунок 38. Простейшие ДК:
Рисунок 39. ДК на супербэта транзисторах
Рисунок 40. ДК:
а) с активной нагрузкой (VT2) в виде токового зеркала
б) с суммированием выходных напряжений левого и правого плеча на общем выходе
Рисунок 41. ДК на ПТ:
а) каскодное соединение ОИ-ОЭ с динамической нагрузкой на VT4
б) на МОП-транзисторах
Рисунок 42. ДК:
а) с инвертором на VT2 и VT3 для широкополосных усилителей
б) двухкаскадный ДК с одинаковой крутизной переднего и заднего фронта в режиме большого сигнала
Кафедра систем телекоммуникаций
«Генераторы стабильного тока и напряжения»
МИНСК, 2008
Генераторы стабильного тока
Для смещения и стабилизации режимов ИС широко используют генераторы стабильного тока (ГСТ): для стабилизации режимов и в качестве активной нагрузки усилительных каскадов; в качестве ИП эмиттеров Т дифференциальных усилителей; в интеграторах, генераторах пилообразного напряжения и т.д. Под ГСТ понимают двухполюсник, ток через который практически не зависит от приложенного напряжения. Если на такой двухполюсник подать сумму постоянного
и переменного напряжений, то его сопротивление для переменной составляющей будет высоким. Сопротивление для постоянной составляющей обычно требуется небольшое. Важнейшими параметрами ГСТ являются выходное сопротивление (в идеале ), выходной постоянный ток и рабочий диапазон – диапазон выходного напряжения, в котором ГСТ сохраняет свои свойства.Простейший ГСТ (рис. 1, а) обеспечивает ток
, где , – напряжение база – эмиттер и коэффициент передачи тока Т. Для определения параметра напомним, что выходное сопротивление каскада с ОЭ (без учета нагрузки) составляет
, (1)
– эквивалентное (с учетом делителя смещения) сопротивление генератора; – суммарное (с учетом дифференциального сопротивления ) сопротивление в цепи эмиттера.
Применительно к рассматриваемому ГСТ выражение (1) трансформируется в
. При малых токах величина составляет десятки и сотни килоом. Рабочий диапазон соответствует изменению напряжения на коллекторе в пределах от
до . Основными недостатками этого ГСТ являются: относительно невысокое выходное сопротивление; низкая температурная и режимная (при изменении напряжения ИП) стабильность выходного тока.
Для повышения стабильности с помощью дополнительных сопротивлений
и вводится эмиттерная стабилизация ГСТ (см. рис.1, а), при которой ток . Она, как следует из соотношения (1), увеличивает сопротивление ГСТ, но уменьшает его рабочий диапазон на падение напряжения . Дальнейшее повышение температурной стабильности достигают включением Д последовательно с сопротивлением . Если характеристики Д согласованы с аналогичными Т, то это нейтрализует изменение тока под влиянием температурного приращения . Согласование характеристик обеспечивают диодным включением Т. Требуемое напряжение на базу Т ГСТ можно подавать также с помощью стабилитрона (вместо сопротивления ) или нескольких диодов. Иногда ГСТ, в которых ток вытекает из нагрузки, называют “поглотителями” тока, а со втекающим током – источниками(см. рис.1, а, б).Реализация ГСТ на ПТ может быть проще: без отдельного источника смещения, т.е. по схеме двухполюсного включения. Такие ГСТ выполняют на ПТ с управляющим переходом и ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом (рис. 1, в, г). Их выходное сопротивление равно
, где , – внутреннее сопротивление и крутизна ПТ.
Существенный недостаток рассматриваемых ГСТ – относительно небольшое выходное сопротивление. Для его увеличения применяют двухтранзисторные ГСТ (рис. 1, д – ж). В генераторе на БПТ сопротивление
и составляет сотни (тысячи) килоом, в ГСТ на ПТ оно определяется соотношением ((), () – внутреннее сопротивление и крутизна транзистора VT1 (VT2)) и достигает единиц (десятков) мегаом. Для повышения тока затвор ПТ VT1 можно подключить не к корпусу, а к истоку ПТ VT2, что уменьшает напряжение смещения ПТ VT1 и увеличивает его ток. Но выходное сопротивление ГСТ оказывается при этом меньше.
Напряжение на базе (затворе) Т приведенных ГСТ фиксировано. Если предусмотреть возможность его изменения, то получим программируемый ГСТ. В случае изменения этого напряжения по закону сигнала ток
отслеживает его, что соответствует управляемому генератору тока.От ГСТ со смещением на основе согласованной пары Т легко перейти к так называемому токовому зеркалу (ТЗ), широко применяемому в схемотех-нике аналоговых ИС. ТЗ (отражателем тока) называют функциональный узел, у которого токи двух сходящихся в одну точку ветвей равны, причем входной
управляет выходным (рис. 2, а). В рассматриваемом случае общей точкой является заземление. В выходную ветвь включена нагрузка и подается питающее напряжение. Входное сопротивление ТЗ мало, выходное – велико (в пределе ). Поэтому ток не зависит от напряжения в точке 2, а определяется током . Коэффициент передачи
является основным параметром ТЗ. В общем случае ТЗ можно рассматривать как частный случай управляемого генератора тока. У него коэффициент не обязательно равен 1.
Наиболее часто ТЗ применяются в качестве ГСТ и динамических нагрузок Т дифференциального каскада, обеспечивая переход от симметричного выхода к несимметричному высокоомному. Рассмотрим последнее применение (рис. 2, б).
В исходном состоянии транзисторы VT1 и VT2 имеют равные коллекторные токи
. Когда на дифференциальный вход поступает некоторое напряжение , первый из них, например , увеличивается до значения , а второй () уменьшается до величины . Ток повторяется ТЗ, поэтому выходной ток каскада составляет и равен сумме полезных составляющих обоих Т. Если же на базы транзисторов VT1 и VT2 поступит синфазное (относительно корпуса) приращение напряжения, то выходной ток будет равен нулю и ( – коэффициент ослабления синфазного напряжения (синфазной помехи), показывающий, во сколько раз коэффициент передачи синфазного входного напряжения меньше, чем дифференциального). На практике , поэтому синфазная помеха подавляется не полностью.
Простейшая (основная) схема ТЗ представлена на рис. 3, а. Предполагается, что транзисторы VT1 и VT2 одинаковы. Входной ток
вводится через добавочное сопротивление . Очевидно, в схеме
, 
, , , а выходное сопротивление (с учетом формулы (1)) равно . Для уменьшения различия токов ветвей, что увеличивает значение параметра , в ТЗ вводят буферный Т VT3 (рис.3, б), который уменьшает разность токов в раз. Поэтому . Выходное сопротивление такое же, как и в предыдущей схеме. Коллекторный ток VT3 намного меньше токов Т VT1 и VT2, из-за чего коэффициент имеет низкое значение. Для увеличения тока иногда включают токоотводящее сопротивление .
Рассматриваемые ТЗ обладают относительно невысоким выходным сопротивлением. В результате ток
зависит от выходного напряжения, которое при высокоомной нагрузке может быть значительным. Это влечет за собой дополнительный разбаланс плеч, т.е. уменьшает коэффициент . Для увеличения сопротивления применяют ТЗ со следящим напряжением второго Т, называемое ТЗ Уилсона (рис. 3, в). В нем эмиттер Т VT3 повторяет напряжение на коллекторе Т VT1, поэтому коллекторные напряжения Т VT1 и VT2 почти одинаковы и не зависят от выходного. Коэффициент имеет то же значение, что и в основной схеме ТЗ. Выходное сопротивление существенно выше (порядка ), из-за чего схема не разбалансируется выходным напряжением и работоспособна при более высокоомной нагрузке. Дальнейшее повышение сопротивления можно обеспечить включением в эмиттеры Т VT1 и VT2 сопротивлений, выбираемых порядка 1 кОм. Сказанное справедливо также для других ТЗ.Если в ТЗ (см. рис. 3, а) к коллектору Т VT1, помимо Т VT2, подключить еще несколько Т со своими нагрузками, то получим схему с несколькими выходами. При этом возможна ситуация, когда один из выходных Т входит в режим насыщения, например, при отключении его нагрузки. Тогда база Т будет отбирать из общей линии повышенный ток, что уменьшит выходные токи других Т. Для исключения этого вводят буферный Т, аналогичный Т VT3 на рис. 3, б.
Для построения ТЗ, отражающего удвоенный (половинный) входной ток, необходимо в схеме (см. рис. 3, а) параллельно Т VT2 (VT1) подключить еще один Т. В ТЗ на ИС коэффициент
часто задают выбором размеров (площадей) эмиттерных переходов. Фирмой Texas Instruments выпускаются монолитные ТЗ с коэффициентом передачи 1,0 , 0,5 , 0,25 и 2,0 и рабочим диапазоном от 1,2 до 40 В. Возможным способом реализации ТЗ с кратными токами и является включение в цепь эмиттера выходного (входного) Т дополнительного сопротивления.Генераторы стабильного напряжения
В схемотехнике аналоговых ИС широко применяют генераторы стабильного напряжения (ГСН) – двухполюсники, падение напряжения на которых слабо зависит от протекающего тока. Простейший ГСН – диод, через который протекает ток (от ГСТ или через сопротивление от ИП). В качестве диода обычно используют прямосмещенный эмиттерный переход Т, стабилизирующий напряжение на уровне примерно 0,65 В. Для увеличения напряжения
стабилизации применяют последовательное соединение двух Т в диодном включении либо схему рис. 4, а. В ней (, – напряжения база – эмиттер Т). Иногда с целью повышения тока Т VT1 дополнительно вводят шунтирующее сопротивление величиной несколько килоом, что уменьшает его дифференциальное сопротивление. Дальнейшее увеличение достигают цепями из трех (четырех) Т. Температурный коэффициент напряжения, стабилизируемого прямым включением диодов, является отрицательным.  Рис. 4. Схемы ГСН на транзисторах |
Для получения малых значений
часто используют параллельное соединение делителя и Т VT (рис. 4, б). Здесь напряжение и, значит, ток через сопротивление стабильны. Приращение внешнего напряжения приложено к сопротивлению и изменяет ток базы, влияющий на ток коллектора. Напряжение стабилизации (пренебрегаем током базы) составляет . Варьируя значениями и , можно регулировать величину . Очевидно, в схеме , где () – приращение тока (напряжения) ГСН; – крутизна последнего. Поэтому выходное сопротивление рассматриваемого ГСН равно и составляет примерно 50…200 Ом.Вместо диодов в ГСН часто применяют стабилитроны. Они имеют следующие недостатки: конечный набор значений
и большой допуск на них (кроме дорогих прецизионных стабилитронов); большой уровень шума; достаточно большое дифференциальное сопротивление; зависимость напряжения от температуры (например, стабилитрон с = 27 В из серии 1N5221 производства США имеет коэффициент = 0,1 % /град).Исследованиями фирмы Motorola, Inc. установлено, что в окрестности точки
= 6 В стабилитроны имеют значительно меньшее, чем при других напряжениях, дифференциальное сопротивление и почти нулевой коэффициент , который зависит от рабочего тока (рис. 5). Это связано с используемыми в стабилитронах двумя механизмами пробоя: зенеровским (туннельным) при низком и лавинном при высоком напряжении. С учетом отмеченных закономерностей применяют так называемые компенсированные опорные элементы в виде последовательного соединения стабилитрона с напряжением 5,6 В и прямосмещенного диода. Выбирая величину и рабочий ток, можно компенсировать отрицательный температурный коэффициент диода, равный –2,1 мВ/град. Такой подход использован в производимых фирмой Motorola, Inc. дешевых опорных элементах с напряжением = 6,2 В, имеющих коэффициент от 10 –4 % /град (1N821) до 5×10 –6 % /град (1N829). Указанные значения справедливы при токе = 7,5 мА. При этом в случае стабилитрона 1N829 приращение тока на 1 мА изменяет напряжение в три раза сильнее, чем изменение температуры от –55 до +100 о С.  |
Имея компенсированный опорный элемент VD с фиксированным напряжением
= 6,2 В, можно построить с помощью буферного операционного усилителя DA1 ГСН на любое требуемое напряжение (рис. 6, а). Опорный элемент, представляющий последовательное соединение стабилитрона и диода, включается в любой полярности. Необходимый рабочий ток его = 7,5мА задается сопротивлением , величина которого, например, при = 10 В составляет 510 Ом (при этом = 3,83 кОм и = 6,19 кОм). По рассматриваемой схеме строятся так называемые стабилитронные ИС, обеспечивающие = 30×10 –6 % /град. Они, как и их дискретные аналоги, обладают существенным недостатком: имеют высокий уровень шума, который сильнее в стабилитронах с лавинным пробоем (> 6 В). Для уменьшения шума используют стабилитронную структуру с так называемым захороненным, или подповерхностным, слоем.В последнее время в ГСН в качестве опорных элементов все шире применяют так называемые стабилитроны с напряжением запрещенной зоны, которые было бы точнее назвать
