Генераторы стабильного тока и напряжения

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра систем телекоммуникаций

РЕФЕРАТ

На тему:

«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)

где – 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.

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 ^оС.

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 -стабилитронами (рис. 6, б). В них элементы VT1, VT2 и образуют ТЗ с коэффициентом передачи < 1. Очевидно,

,

,

=,

,

,

где , , – напряжения база – эмиттер Т VT1…VT3;

, – входной и выходной токи ТЗ;

– падение напряжения на резисторе .

Из этого следует, что напряжение , в отличие от , имеет положительный температурный коэффициент. Поэтому, подбирая (в зависимости от тока) величину , можно обеспечить нулевой коэффициент , что, как оказывается, выполняется при 1,22 В (напряжение запрещенной зоны кремния при температуре абсолютного нуля). Ток ТЗ задают при помощи сопротивления или от ГСТ. Подключая рассматриваемый опорный элемент в предыдущую схему вместо стабилитрона VD, можно получить ГСН на любое требуемое напряжение.

В весьма распространенной схеме ГСН на основе -стабилитрона (рис. 6, в) элементы VT1, VT2 и образуют ТЗ с коэффициентом передачи = 0,1. По аналогии со схемой рис. 6, б ток . Поэтому и = 1,22 В. Ток создает на сопротивлении напряжение с положительным температурным коэффициентом, которое можно использовать в качестве выходного сигнала температурного датчика. Цепь отрицательной ОС (усилитель DA1, делитель , Т VT1 и VT2) дополнительно компенсирует возможные изменения . Существуют также другие варианты построения -стабилитро-нов, но все они основаны на ТЗ с кратным отношением токов и сложении напряжений и вырабатываемого ТЗ.

Дальнейшие улучшение параметра достигают температурной стабилизацией всего ГСН (термостатированием). Как известно, обычному термостатированию присущи громоздкость, сравнительно большая потребляемая мощность, медленные разогрев и выход на режим (10 и более минут). Поэтому в последнее время температуру стабилизируют на уровне кристалла (чипа) ИС, включая в состав последней нагревательную схему с температурным датчиком. Подход впервые опробован в 60-х годах фирмой Fairchild (США), выпустившей стабилизированную дифференциальную пару mА726 и предварительный усилитель постоянного тока mА727. Позже появились “термостатированные” ГСН, например, серии National LM399, которые имеют = 2×10^–5 % /град. Такие ГСН производятся в стандартных транзисторных корпусах типа ТО-46, имеют нагреватели с мощностью потребления 0,25 Вт и временем выхода на режим не более 3 с. Они построены на стабилитронах с захороненным слоем. Отметим также, что на основе последних путем качественного схемотехнического решения фирмой Linear Technology (США) созданы ГСН без подогрева, имеющие = 0,05×10^–6 % /град и на порядок лучшие характеристики по долговременной стабильности и шуму.

ЛИТЕРАТУРА

1. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 2003. – 608 с.

2. Математическое моделирование и макромоделирование биполярных элементов электронных схем / Е.А. Чахмахсазян, Г.П. Мозговой, В.Д.Силин. – М.: Радио и связь, 1999. – 144 с.

3. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2002. – 304 с.