Схемы формирования заданного тока и напряжения

Ранее, при рассмотрении усилительных каскадов, в схемах встречались устройства, формирующие заданный ток или заданное напряжение. Первые из этих устройств называются источниками тока, вторые — источниками напряжения. Рассмотрим вопросы практической реализации источников тока и напряжения.

Проблема создания в некоторой цепи фиксированного тока может быть решена при помощи схем, использующих биполярные и полевые транзисторы. Относительная легкость построения источников тока при помощи этих приборов определяется свойствами этих приборов, хорошо видными из выходных характеристик.

На рис.111 представлена выходная характеристика биполярного транзистора. Из нее видно, что если ток базы транзистора постоянен, и транзистор находится в активном режиме работы, то ток коллектора практически постоянен, см. изменение тока коллектора между точками А и Б.

Рис. 111	л19р5

Практическая реализация источника тока возможна при помощи схемы, показанной на рис. 112,а. Очевидно, что данная схема представляет собой транзисторный каскад с ОЭ. Фиксированное значение тока базы получается при фиксированном входном напряжении. Ток эмиттера определяется следующим выражением: .

В силу того, что ток в нагрузке мало зависит от сопротивления нагрузки. Однако данная простая схема источника тока обладает рядом недостатков. Во-первых, при увеличении сопротивления нагрузки транзистор может перейти в режим насыщения и источник тока перестанет функционировать. Во-вторых, величина коллекторного тока существенно зависит от внешней температуры и параметров (например, b_СТ) конкретного транзистора.

а)	б)
Рис. 112

Существенно улучшить ситуацию можно, воспользовавшись схемой, показанной на рис. 112,б. В схеме потенциалы баз транзисторов уравнены, т. к. базы соединены между собой. Следовательно, при идентичных транзисторах токи баз будут одинаковы. Одинаковыми будут и токи коллекторов. Для данной схемы можно записать следующую связь входного тока и тока в нагрузке:

,

(20)

т. е. при достаточно больших значениях ток в нагрузке практически совпадает с входным, определяемым резистором :

.

Рассмотренную схему в литературе часто называют «токовое зеркало», т. к. в ней выходной ток повторяет входной и по величине, и по направлению.

Примером использования схемы «токовое зеркало» может служить показанная на рис.113 схема дифференциального усилителя (ДУ). Источник тока на элементах , , обеспечивает стабильность суммарного эмиттерного тока транзисторов и , что необходимо для нормальной работы усилителя. Резистор , при помощи которого задается ток, подключен к общему проводу, чтобы снизить нагрузку на источник питания . Подобное решение часто встречается в схемах ДУ.

Рис. 113

л19р4

Из формулы (20) можно оценить точность «отражения» входного тока в ток нагрузки. Пусть . Тогда , т. е. погрешность достигает 4%. С целью уменьшения погрешности следует применять транзисторы с более высоким значением , или использовать более совершенные схемы, например показанную на рис.114. Данная схема обеспечивает полное «отражение» входного тока в нагрузку, т. е. .

Рис. 114	л19р6

Выходные характеристики полевых транзисторов очень похожи на выходные характеристики биполярных транзисторов. В них также присутствуют участки постоянства тока стока при фиксированном напряжении . Поэтому схемы источников тока на полевых транзисторах похожи на аналогичные схемы, выполненные на биполярных транзисторах, что особенно заметно при построении схем на МДП-транзисторах.

На практике часто используют схемы источников тока на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом. Этот тип транзистора работает при полярности напряжения на затворе, противоположной полярности напряжения на стоке, что позволяет несколько упростить схему источника тока на этом транзисторе (рис.115). В силу того, что напряжение между затвором и истоком зафиксировано на нулевом уровне, ток стока будет зафиксирован на максимальном для используемого транзистора уровне. Стабильность тока в нагрузке (тока стока транзистора) определяется только стабильностью параметров транзистора.

Рис. 115	л19р7

Если требуется получить отличное от максимального значение тока стока, то в истоковую цепь включают сопротивление . Данный резистор задает ненулевое напряжение , которое и обеспечит требуемое значение тока стока. Расчет сопротивления данного резистора производится по передаточной характеристике конкретного полевого транзистора, связывающей напряжение затвор-исток с током стока. Принимая, что ток истока равен току стока, можно записать, что .

Существенным недостатком рассмотренной простой схемы источника тока на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом является привязка к параметрам конкретного экземпляра транзистора. Поэтому применение схемы в промышленных приборах ограничено.

Рис. 116

На рис. 116 показана схема источника тока, выполненная с использованием ОУ. В этой схеме ОУ поддерживает падение напряжение на резисторе равным опорному напряжению . Ток эмиттера равен , ток коллектора будет меньше его на величину тока базы транзистора. Следовательно, в схеме следует применять транзистор с высоким значением коэффициента передачи . Нагрузкой каскада является резистор . Данное устройство можно использовать как преобразователь напряжения в ток.

Стандартным решением проблемы создания источника напряжения является использования транзисторного эмиттерного повторителя, входное напряжение на котором зафиксировано резистивным делителем или стабилитроном (рис. 117).

В первом случае можно считать, что выходное напряжение определяется следующим выражением: . Выражение справедливо, если базовым током транзистора можно пренебречь в сравнении с током, протекающим через резисторы делителя. Исходя из этого, сопротивления резисторов принимают на уровне десятков кОм. Чрезмерное уменьшение сопротивлений нежелательно из-за возрастания тока, потребляемого делителем от источника питания.

а)	б)
Рис. 117	л19р1

Стабилитрон — это разновидность полупроводникового прибора с одним p-n переходом. Включают стабилитрон в схему в «обратном» направлении (рис. 117,б), т. е. рабочей для него является обратная ветвь ВАХ. Участок пробоя на ВАХ стабилитрона нормирован по напряжению. Иными словами, при достижении некоторого обратного для стабилитрона пробивного напряжения происходит резкое уменьшение сопротивления его перехода, что препятствует дальнейшему нарастанию напряжения. Происходит стабилизация напряжения на уровне напряжения пробоя. Для предотвращения термического разрушения стабилитрона ток через него (ток стабилизации) ограничивают на некотором уровне, диапазон изменения которого задается в документации на конкретный прибор. Таким образом, источник напряжения, показанный на рис. 117,б, обеспечивает выходное напряжение, определяемое следующим выражением: . Сопротивление резистора рассчитывается по следующей зависимости:

,

где — ток стабилизации стабилитрона; — ток базы транзистора.

Рис. 118  

В простейших случаях в источнике напряжения транзистор может отсутствовать, однако использование таких упрощенных схем на практике не целесообразно, т. к. стабильность формируемого ими напряжения не высока.

Резистор определяет ток, текущий через стабилитрон. С целью повышения стабильности формируемого напряжения этот резистор может быть заменен источником тока (рис. 118).

Источник напряжения может быть построен на базе источника тока без использования стабилитрона. Для этого достаточно в качестве на-

Рис. 119	л19р8

грузки источника тока использовать резистор с неизменным сопротивлением. Напряжение, падающее на этом резисторе, будет являться выходным напряжением источника напряжения. Однако данное простое решение не всегда позволяет получить источник, напряжение на выходе которого не зависит от сопротивления нагрузки. Лучшие показатели по стабильности имеет схема, в которой для согласования с нагрузкой используется эмиттерный (или истоковый) повторитель (рис.119).

Дата добавления: 2015-07-14