Источники тока. Источники напряжения, источники опорного напряжения.

1. Источники тока (ИТ) или формирователи тока (ФТ). Схемы источников тока должны обладать высоким (бесконечным) выходным импедансом, значит лучше свего использовать схемы транзисторов с ОЭ, ОБ, ОИ.

С учетом направления тока различают:

а) источники тока,

формирующие вытекающие токи для питания p-n-p- ИБТ- транзисторов и р- МДПТ.

+U

I₀ упр.входы +U

ФТ

A ⁰

R_н R_н

-U

б) токоотводы,

формирующие втекающие токи для питания n-p-n- ИБТ- транзисторов и n- МДПТ

+U R_н +U

0

R_н упр. входы

А ФТ

I₀

-U

В общем случае возможно построить формирователь тока с управляющей схемой, позволяющей включить ток, изменить его направление или обеспечить на шине так называемое Z- состояние.

Чаще всего в качестве источника тока используют схему токового зеркала.

В соответствии с уравнениями Эберса-Молла, если одинаковы смещения на диоде Э-Б, токи эмиттеров будут равны:

U _БЭ1 = U_БЭ2  I_Э1 = I_Э2  I_К1 = I_К2.

I₁ = I_К1 + I_Б1 + I_Б2 = I_К +2I_К/ = I_К(1+2/) I₁ I₂

I₂ = I_К2 = I_К1 = I₁(1- 2/).

Можно принять

I_Б  0 при  >> 1  100, тогда

т очность воспроизведения тока в этой схеме – 2-5%.

Можно масштабировать токи при помощи площадей Т1 Т2

эмиттеров:

I_Э1/I_Э2 = A_Э1/A_Э2  I_К1/I_К2.

Задать (или ограничить в диапазоне мА - мкА) величину тока в формирователе тока (токовом зеркале) можно при помощи простейшей цепи резистора:

U_ИП

I ₁ = [(U_ИП-U_БЭ)/R1], I₂ = [(U_ИП-U_БЭ)/R1]A_Э2/A_Э1. I₁ R1 I₂

Или, более корректно:

I ₂ = I₁ - 2I_Б = I₁(1-2/ + U_БЭ/_Т)_А1=А2.

Точность выставления тока I₂ составит примерно  5%.

ВАХ идеального и реального источника тока отличаются величиной динамической выходной проводимости ИТ:

на нижних рисунках показаны ВАХ реального ИТ и идеальные ИТ и ИН 

I_K I

g₀=g_КЭ=I_K/U_A g₀=0 I₀

0 U

U_КЭ=0,2 В ВU_КЭ  50 В U₀

Рабочий диапазон ИТ по графику - около 50 В, g₀  n*1 нСм

Обозначения ИТ в схемах: Пример ИТ на p-n-p- транзисторах:

- 50 В

I₀ g₀

Если необходим более симметричный диапазон изменения входного U:

+15 I₂ I₂

U₀

-14.8 0.2 35 50 U₀

-15 -15

Токовое зеркало Уилсона. Эта схема формирователя тока I₀ обеспечивает большую точность, чем простое токовое зеркало. Меньшая зависимость от коэффициента .

I_Э1 = I_Э3. I₀ = I₂ = I_Э2 - I_Б2 = (I_K3 +2I_Б1,3) - I_Б2 =I_K3 + I_Б = I_Э3 I₁ I₂=I₀

I₁ = I_K1 + I_Б2 =I_Э1 - I_Б1 +I_Б2 = I_Э1

I₂ = I_K3 + I_Б1 = I_K1 + I_Б2 = I₁ , так как I_Б1I_Б2  I_Б3.

g₀=I₀/U₀=g_КЭ/(1+)=(I₀/U₀)/(1+), g₀0.4 нСм T2 1/g_КЭ

I_K1 I₃ U₀

Точность такого зеркала T1 T3

1/I₀(dI₀/dU₀)=1/[U_A(1+)]=4*10^-3%

-U_ИП -U_ИП

Токоотвод с резистивным смещением.

I₁ I₂

Напряжение смещения U_см=I₁R1+U_БЭ1=I₂R2+U_БЭ2

I₁R1- I₂R2= U_БЭ2 - U_БЭ1 U_см T1 T2

 R1/R2.

R1 R2

При помощи такого токоотвода можно масштабировать токи через соответствующие резисторы:

I₁ : I₂ : I₃ … =1/R1 :1/R2 :1/R3 …

Коэффициенты масштабирования чаще всего кратны 2^п: 2,4,8,,,. Ниже показана такая схема подробнее.

Генератор пропорциональных токов (ГПТ).

Идентичные источники Т2-Т6 - источники отрицательных токов для p-n-p- транзисторов:

U_БЭi = const, если +U_ИП

U_R2 = U_R3 = U_R4 = U_R5 = U_R6

Задают токи в соответствующих цепях, R1 I₃ I₄ I₅ I₆

вычисляют сопротивления.

T1

При масштабировани токов важно

о беспечить точность воспроизведения

р езистора минимального номинала. Т2 Т3 Т4 Т5 Т6

R2 I₂ R3 R4 R5 R6

-U_ИП

Простейшая схема ГПТ на ИБТ, часто применяемая в АИС, - на транзисторе с

р асщепленным коллектором. U_ИП

П ри одинаковых площадях

к оллекторных контактов токи равны,

и наче I_K2/I_K1 = A₂/A₁

I_Б I_K2 I_K3

I₁ I_K1

Схемотехнические приемы создания формирователей тока на МДПТ точно такие же, как для ИБТ-схем. Значит, основной схемой ФТ должно быть токовое зеркало.

Ниже приведены примеры схем токовых зеркал на МДПТ, реализованных в соответствии с уравненим ВАХ транзистора в пологой области: если будут одинаковы напряжения U_ЗИ, то будут одинаковые токи. Масштабирование токов достигается соотношением ширин каналов транзисторов.

Формирователи тока на МДПТ.

Стабильность (идеальность ВАХ) МДПТ- ИТ опеспечивается стабильностью порогового напряжения, поэтому необходимо выполнять обязательное условие:

U_ПИ = 0 !!! +U

I₁ I₂=I₀ I₂

1/I₀(dI₀/dU₀)  2%

g_СИ = I_C/U_A

U_си=U_ЗИ-U_пор U_СИ

I₂/I₁ = W₂/W₁ U_пробоя

-U

Ниже показаны несколько схем формирователей тока на п- МДПТ.

I₁ I₀ +U I₀

-U I₀ U₀ -U

Точность составного источника тока (схема слева)1/I₀(dI₀/dU₀) = 0.002%.

g₀ = g_СИ 1 мкСм.

Наиболее часто используется формирователь тока на транзисторах обедненного типа как активная или токостабилизирующая нагрузка, этот вариант ИТ занимает самую малую площадь.

Формирователи тока на стандартных элементах.

Когда необходимо обеспечить выполнение некоторых команд управляющих формирователем тока с целью изменить величину или направление тока, используют классические элементы, например, ТТЛ-схема. Использование свойств ТТЛ сложных выходных каскадов, можно получить вытекающий ток с ТТЛ-элемента при «1» на выходе или втекающий – при «0» на выходе. При подсоединении к выходу ТТЛ схемы с оборванным коллектром можно получить так называемое Z-состояние с высоким импедансом. (См. курс «Микросхемотехника ЦИС»).

ФТ вытекающего +U (3 B) ФТ втекающего

3.5

0.4

ТТЛ I₀ ТТЛ I₀

R_Н

-U

2. Источники напряжения. Источники напряжения (ИН) вырабатывают сигнал, не зависящий от величины выходного тока либо типа нагрузки. От источника напряжения требуется низкий выходной импеданс и стабильность:

ðU₀/ðT = 0, ðU₀/ðU_ИП =0.

В зависимости от преобладания определенных свойств данные схемы подразделяются на

а) источники напряжения с низким импедансом по переменному току,

б) источники опорного напряжения для схем пороговой логики (ЭСЛ), в схемах дифференциальных каскадов для общего смещения.

Основной элемент рассматриваемых схем - схема эмиттерного повторителя, ЭП.

Преобразование импеданса транзистором в схеме ЭП. +U

П усть I₀ увеличивается на I₀ , в результате

ток базы увеличится на

d I_Б = dI_Э/(+1)=dI₀/(+1)  dI_БR_Б = dI₀R_Б/(+1) 

U _БЭ = U_Б - U_R, U_R, U_БЭ  f[ln(I_Д/I_Д0)] . U_Б R_Б U₀ I₀

возрастает U_БЭ  dU_БЭ = (dU_БЭ/dI_Э)dI_Э = r_БЭdI_Э 

 (_Т/I_Э)dI_Э  dU₀= -dI_БR_Б-dU_БЭ = -[dI₀R_Б/(+1) +(_T/I_Э)dI₀=

-dI₀[R_Б/(+1)+r_БЭ]

R_вых = -dU₀/dI₀ = R_Б/(+1)+r_БЭ

В реальном ИН есть зависимость номинала напряжения от температуры и изменений источника питания.

Примеры схем источников напряжения

U_ИП U_ИП

U_Н = U_ИПR2/(R1+R2)

U _см и U_н = f(U_ИП), т.к. I_R=f(U_ИП) R1 U_см I I

Z _вых = _T/I + R1R2/[(R1+R2)] A U_см

R2 Z_н U_H U_см=nU_Д

Z_вых=n_T/I

dU_см/dT=n *dU_БЭ/dT=-Z_H

В качестве генератора м.б.R

Если R>>Z_A.

U_см = U_БЭ(1+R1/R2) при  >>1,

R _вых = R1/+(R1+R2)/(g_mR2) = 50 - 200 Ом = dU_см/dI₀ = (R1+R2)/(1+g_mR2)=

= U_см/U_БЭ [R2/(1+g_mR2)]

п ри g_mR2 >> 1  R_вых = U_см/U_БЭ(1/g_m) = U_см/U_БЭ(_T/I_K), I

п одбираем R1,R2 так, чтобы I_Б0.

В еличина I = I_K + I_н . R1 U_см

R2

Источники опорного напряжения.

Могут быть различные задания на параметры схемы: U_оп  f(T), U_оп  f(U_ИП),

U_оп  f(I_н).

Чаще всего нужна температурная стабильность порядка 10^-4/град (ТКН = -2 мВ/град). Иногда схему опорника используют для подачи на вход источника напряжения это схема стабилизатора напряжения.

Пример схемы источника напряжения: +U_ИП

Т 1 - стабилитрон, на нем падает напряжение

п робоя p-n- перехода Б-Э порядка 6-7В. I₀

U _Э2 = U_Э1-U_БЭ4-U_БЭ2 T4

U _K3=U_БЭ3

U _оп=U_Э2[R2/(R1+R2)]+U_К3[R1/(R1+R2)] BU_БЭ Т2

Т1 R1

Т3 R2 U_оп

ТКН=dU_оп/dT=

Поскольку отношение сопротивлений не является функцией температуры,

можно получить ТКН=0:

R2(dBU_БЭ/dT) = (2R2 - R1)dU_БЭ/dT,

R1/R2 - 2 = (dBU_БЭ/dT)/(-dU_БЭ/dT);  R1/R2 = 2+3мВ.град^-1/-2мВград^-1.

U_оп = 1.6 -2.5 В.

ТКН  410^-5 град^-1.

Использование формирователя тока на схеме токового зеркала для создании стабильного

смещения на входе источника опорного напряжения:

I ₁I₂, U_К2=I₂R2=(R2/R3)U_БЭ. I₀

U_БЭ =U_БЭ1-U_БЭ2=_Tln(I₁/I₂),

d (U_БЭ/dT) = (_T/T)ln(I₁/I₂) > 0, a dU_БЭ/dT < 0.

М ожно сделать ТКН U_оп  0

( R2/R3 =10  I₁/I₂  ТКН  0, U_оп  1,2 В ) I₁ R1 R2 U_оп

U_оп = U_БЭ3 + U_R2

U₂ Т3

U_оп = U_БЭ3 + (R2/R3)_T(lnI₁/I₂).

ТКН <0 >0

I₂ R3

Схемы сдвига уровня (высокий входной и низкий выходной импеданс).

U ₂ = (U₁-nU_БЭ) U₁ U₂ = (U₁-U_БЭ)R2/(R1+R2) U₁

R _вых  (n+1)_T/I

R1

U₂

R2 U₂

Трансляторы уровня напряжения.

U ₁ - U₂ = U_БЭ(2+R1/R3)

U₁ I R1

R1 I = (U_ИП - U₁ - U_БЭ)/R1 U₁

U₂ = R2*I U₂

U₂ А_U  -(R2/R1)_{по перем.току} R2

R3