Токовое зеркало как работает
Перейти к содержимому

Токовое зеркало как работает

  • автор:

Прецизионное токовое зеркало и УНЧ на его основе

Приведены варианты схем прецизионных токовых зеркал на биполярных и полевых транзисторах с двумя ветвями нагрузок и единой модифицированной токозадающей цепью. Показана возможность использования токовых зеркал в качестве усилителей низкой частоты.

Токовое зеркало или токовый отражатель представляет собой трехполюсник, имеющий вход и выход, в котором изменение выходного тока прямо пропорционально изменению тока входного [1, 2].

26 мая 1965 г. инженер американской компании Fairchid Camera and Instrument Corporation Роберт Джон (Боб) Видлар/Уайдлер (Robert John Widlar, 1937–1991) предложил первую схему токового зеркала – «Low-value current source for integrated circuits» (токовое зеркало Видлара), Рисунки 1а, 1б [1, 3].

Рисунок 1. Токовые зеркала по патентам: а) Видлара [3]; б) Видлара с компенсацией эффекта Эрли;
в) Уилсона [4]; г) Уилсона, каскодное включение транзисторов [4]; д) каскодное токовое
зеркало на четырех транзисторах [5].

8 февраля 1968 г. инженер американской корпорации Tektronix Джордж Роберт Уилсон (George Robert Wilson) усовершенствовал токовое зеркало Видлара, использовав каскодное включение транзисторов – «Current regulator controlled by voltage across semiconductor junction device» (токовое зеркало Уилсона), Рисунки 1в, 1г [1, 4].

Первая, наиболее простая схема токового зеркала, Рисунок 1а, не отличалась высокой степенью совершенства. Еще в 1952 г. американский инженер-электрик Джеймс (Джим) М. Эрли (James M. Early, 1922–2004) экспериментально обнаружил эффект модуляции ширины базы биполярного транзистора (эффект Эрли, Early effect) – напряжение эмиттер-база менялось при изменении напряжения на коллекторе транзистора. За счет проявления эффекта Эрли выходной ток токового зеркала Видлара заметно изменяется при изменении выходного напряжения.

Компенсировать эффект Эрли возможно за счет включения в эмиттерные цепи транзисторов резисторов равного номинала, Рисунок 1б. Токовое зеркало Уилсона, Рисунки 1в, 1г, обеспечивает более высокую степень постоянства выходного тока: благодаря транзистору VT2 напряжение на аноде диода VD1, Рисунок 1в, или, соответственно, коллекторе транзистора VТ3, Рисунок 1г, фиксировано и не влияет на выходной ток. Наилучшим среди токовых зеркал является каскодное токовое зеркало, выполненное на четырех транзисторах, Рисунок 1д [5].

При сравнительном анализе классических схем токовых зеркал отчётливо заметно то, что они сравнительно удовлетворительно работают в ограниченной области напряжений, обычно от 0.8 до 5 В. Наиболее совершенное токовое зеркало, Рисунок 1д, способно корректно работать до напряжений в несколько десятков вольт. Недостатком рассмотренных выше токовых зеркал, Рисунки 1а–1д, является то, что при случайном коротком замыкании токозадающего резистора R1 токовое зеркало выходит из строя.

Рисунок 2. Прецизионное токовое зеркало на биполярных транзисторах.

На Рисунках 2 и 3 приведены схем прецизионных токовых зеркал с двумя ветвями нагрузок и единой модифицированной токозадающей цепью. Подобное техническое решение в упрощенном его варианте встречается в составе популярной микросхемы 741. В токовом зеркале, Рисунок 2, используются комплементарные транзисторы структуры p-n-p и n-p-n, помещенные в равные температурные условия. Таким образом, устройство содержит два встречно-последовательно включенных токовых зеркала, выполненных на транзисторах разной проводимости, причем резистор RVAR, задающий ток нагрузки, у них общий, а цепи нагрузок разнесены.

Рисунок 3. Прецизионное токовое зеркало на полевых транзисторах.

В эмиттерных цепях транзисторов включены резисторы относительно большого сопротивления, что позволяет снизить влияние эффекта Эрли на выходные токи. Токовое зеркало, Рисунок 2, в отличие от каскодного токового зеркала, Рисунок 1д [5], начинает работать при напряжении питания от 0.4 В и выше. Объясняется это тем, что для корректной работы токового зеркала, Рисунок 1д, потребно напряжение смещения на базах транзисторов VT1, VT2 относительно общей шины питания не менее 0.78 В. Для токового зеркала, Рисунок 2, в силу схемотехнических особенностей и с учетом ВАХ полупроводниковых переходов в области малых напряжениях смещений равенство токов токозадающей цепи и цепей нагрузок наблюдается уже при напряжении питания выше 0.4 В. Минимальный ток в этих цепях при таком напряжении и RVAR = 1 МОм равен 0.4 мкА.

Токовое зеркало, Рисунок 2, при напряжении питания 100 В (предел ограничен свойствами используемых транзисторов) и регулировке RVAR в пределах от 0 до 1 МОм обеспечивает выходные токи от 0.1 до 5 мА при максимальном сопротивлении нагрузки 10 кОм.

Токовое зеркало, Рисунок 3, выполнено на MOSFET VT1, VT2 ZVP3308 и VT3, VT4 2N7071. Зеркало работает в диапазоне питающих напряжений от 7 до 60 В и обеспечивает ток в нагрузке сопротивлением до 8 кОм при регулировке RVAR от 0 до 1 МОм от 0.05 до 3.5 мА.

На Рисунке 4 показана возможность использования прецизионного токового зеркала на биполярных транзисторах в качестве усилителя низкой частоты. Усилитель кроме транзисторов содержит минимум деталей. В качестве модулятора тока через токозадающую цепь зеркала использован транзистор VT3 BC547C. Усилитель при работе на нагрузку RН1 сопротивлением 1 кОм обеспечивает коэффициент передачи 42.7 дБ, имеет полосу пропускания на уровне –3 дБ от 6 Гц до 40 МГц и коэффициент нелинейных искажений на частоте 1 кГц 0.18%.

Рисунок 4. Усилитель низкой частоты на основе прецизионного
токового зеркала.

Гораздо более скромные результаты получены на втором выходе – RН2, что объясняется неидеальностью выбора согласованных пар p-n-p и n-p-n транзисторов. При тех же условиях усилитель имеет коэффициент передачи 39.1 дБ, полосу пропускания на уровне –3 дБ от 6 Гц до 23 МГц и коэффициент нелинейных искажений на частоте 1 кГц порядка 4%.

Литература

  1. Шустов М.А. История электричества. – Москва; Берлин: Директ-Медиа, 2019. – 567 с.
  2. Шустов М.А. Основы силовой электроники. – СПб.: Наука и Техника, 2017. – 336 с.; 2019. – 336 с.
  3. Патент США № 3320439. МКИ G05F 3/30. Низковольтный источник тока для интегральных схем / Р.Дж. Видлар. Заявлен 26.05.1965. Выдан 16.05.1967.
  4. Патент США № 3588672. МКИ G05F 1/56. Регулятор тока, контролируемый напряжением на полупроводниковом переходе / Дж.Р. Уилсон. Заявлен 08.02.1968. Выдан 28.06.1971.
  5. Camenzind H. Designing Analog Chips. – Virtualbookworm.Com Publishing, Incorporated, 2005. – 242 p.

Материалы по теме

  1. Datasheet Microchip 2N7000
  2. Datasheet Siliconix 2N7071
  3. Datasheet Diodes ZVP3306A

Токовое зеркало

Токовое зеркало — генератор тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз. Токовое зеркало – это схема, предназначенная для копирования через одно активное устройство, контролируя ток в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянный ток на выходе, независимо от нагрузки. «Копируемый» ток может быть и иногда является переменным током. Концептуально, идеальное токовое зеркало – это просто идеальный инвертируюший операционный усилитель, который также меняет направление тока, или это управляемый током источник тока .Токовое зеркало используется для смещения токов и питания активных нагрузок в цепях. Токовые зеркала на транзисторах чрезвычайно широко используются в аналоговых интегральных схемах благодаря своей простоте (требуются всего два согласованных транзистора) и эффективности. Токовые зеркала обычно используются для того, чтобы «скопировать» один управляющий ток на множество каскадов, и тем самым задать их ток покоя.

Характеристики токового зеркала

Есть три основные характеристики, которые характеризуют токовое зеркало. Первыми из них являются коэффициент передачи (в случае операционного усилителя) или величина выходного тока (в случае постоянного тока CCSШаблон:Какого? источника). Во-вторых, его выходное сопротивление для переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу. Третья спецификация – это минимальное падение напряжения на выходе зеркала, необходимого, чтобы заставить ее работать должным образом. Это минимальное напряжение продиктовано необходимостью поддерживать выходной транзистор зеркала в активном режиме. Диапазон напряжений, в котором работает зеркало, называется диапазоном соответствия, и напряжение, лежащее на разделе между хорошим и плохим поведением, называется диапазоном напряжения. Есть также ряд второстепенных вопросов по работе с зеркалами, например, температурная стабильность.

Практические приближения

Для анализа в режиме малого сигнала токовое зеркало можно приблизить его эквивалентным сопротивлением Нортона. In large-signal hand analysis, текущее зеркало, как правило, просто заменяется идеальным источником тока. Тем не менее, идеальный источник тока не является эквивалентом в нескольких отношениях:

  1. он имеет бесконечное сопротивление переменного тока, в то время как реальное зеркало имеет конечное сопротивление
  2. он обеспечивает один и тот же ток, независимо от напряжения, то есть, нет никаких требований по диапазону соответствия
  3. он не имеет ограничений по частоте, в то время как реальное зеркало имеет свои ограничения из-за паразитных емкостей транзисторов
  4. идеальный источник не чувствителен ко внешним эффектам, таким как шум, перепадам напряжения источника питания и допускам на элементы схемы.

Реализация схем токовых зеркал

Пример включения токового зеркала на биполярных транзисторах

Основная идея

Биполярный транзистор может быть использован в качестве простейшего преобразователя тока, но его коэффициент передачи сильно зависит от колебаний температуры, стойкости к бета-излучению и т. д. Для устранения этих нежелательных помех токовое зеркало состоит из двух каскадно соединенных «ток — напряжение» и «напряжение — ток» преобразователей, размещёных при одинаковых условиях и имеющих обратные характеристики. Не обязательно, чтобы они были линейными, единственным требованием является их «зеркальность» (например, в транзисторном токовом зеркале ниже они логарифмические и экспоненциальные). Как правило, используются два одинаковых преобразователей, но характерный обращаются с применением отрицательной обратной связи. Таким образом, токовое зеркало состоит из двух каскадных одинаковых преобразователей (первый — обратный, и второй — прямой).

Работа токового зеркала «программируется» путём задания коллекторного тока транзистора T1. Напряжение Uвэ для T1 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор T2, согласованный с транзистором T1 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), предаёт в нагрузку такой же ток, что задан на T1. Небольшими базовыми токами можно пренебречь. Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что её диапазон устойчивости по напряжению Ukk за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе.Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток Iпр с помощью резистора . В связи с тем что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды. Падения напряжения на которых мало по сравнению с Ukk, резистор 14,4 кОм формирует управляющий, а следовательно и выходной ток величиной 1 мА. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда:

  1. под рукой есть много согласованных транзисторов
  2. разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.

Существуют даже безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задаётся с помощью внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора T1, напряжение Uвэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией.Практически ток может изменяться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы.Если же нужен более высококачественный источник тока(чаще всего таких требований не возникает), то подойдёт схема , показанная на рисунке. Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема – гораздо лучший источник тока. Так как в ней изменения напряжения Uвэ , обусловленные изменениями напряжения Uкэ , оказывают пренебрежительно малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

Простейшее транзисторное токовое зеркало

Простейшее транзисторное токовое зеркало

Если принять напряжение на переходе база-эмиттер транзистора в качестве входной величины и ток коллектора принять за выходную величину, то транзистор будет действовать как экспоненциальный преобразователь напряжение-ток. Применив отрицательную обратную связь (просто подсоединив к базе и коллектору) транзистор может быть «обратный», и он будет действовать как противоположный логарифмический преобразователь из тока в напряжение; теперь он будет регулировать «выходное» напряжение база-эмиттер так, чтобы преодолеть «входной» ток коллектора.

Схема Уилсона

Простое токовое зеркало имеет один существенный недостаток — выходной ток в некоторых пределах меняется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление такой схемы не бесконечно. При заданном токе транзистора напряжение UБЭ, а вместе с ним и ток коллектора, меняется в зависимости от коллекторного напряжения.

На рисунке приведена схема токового зеркала Уилсона. Эта схема избавлена от описанного выше недостатка и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора фиксирован и не влияет на выходной ток.

Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока

Схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий — в случае использования транзистора n-p-n типа будет предаваться в несколько нагрузок. О том, как эта идея воплощается в жизнь, даёт представленная на рисунке схема. Отметим, что если один из транзисторов – источников тока переходит в режим насыщения ( в том случае, например, когда отключается его нагрузка), то база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех его транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить если включить в схему ещё один транзистор. На рисунке представлены два варианта многовыходного токового зеркала. Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляющий ток. При разработке токовых зеркал в интегральных схемах коэффициенты отражения тока задают путём выбора размеров (площадей) эмиттерных переходов . Ещё один способ получения выходного тока, кратного управляющему состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора. Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса – Молла , разность напряжения UБЭ зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисторов отношение коллекторных токов равно отношению плотностей токов. График позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случаеи полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.

Смотри также

Литература

  • Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993.—413 с., ил. ISBN 5-03-002337-2.

Ссылки

  • Базовые электронные узлы
  • Транзисторы

Токовое зеркало

Источник тока, известный под названием «токовое зеркало», строится на согласованной паре биполярных транзисторов. При этом под согласованной парой транзисторов подразумевают два транзистора с абсолютно идентичными параметрами. Такие транзисторы изготавливаются на одном кристалле полупроводника. Схема токового зеркала показана на рис. 2.7.

Токовое зеркало

Рис. 2.7. Токовое зеркало

Работа схемы достаточно просто объясняется уравнением Эбер- са-Молла (1.6). В схеме базы транзисторов объединены, а эмиттеры подсоединены к одной шине питания. В результате напряжение на переходах база-эмиттер транзисторов всегда равны и, если считать транзисторы абсолютно одинаковыми, то на основании (1.6) можно констатировать равенство их коллекторных токов:

Коллекторный ток транзистора VT1:

где 1б] и 1б2 — базовые токи транзисторов VT1 и VT2 соответственно,

I — ток, протекающий через резистор R в цепи коллектора транзистора VT1.

При равенстве базовых токов имеем:

Ток I , в свою очередь, можно определить, зная падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора

Решая вместе два последних уравнения с учетом условия (1.7), описывающего взаимосвязь базового и коллекторного токов транзистора, получим

где /? — коэффициент усиления транзисторов.

При больших значениях fi>50

Величина сопротивления нагрузки не входит в последнее выражение и, следовательно, схема обладает свойствами источника тока.

Падение напряжения на нагрузке RH не может превышать напряжения на базах транзисторов:

Поэтому, сопротивление нагрузки, при котором схема работоспособна, должно выбираться из условия:

Токовое зеркало на рис. 2.8 отличается от предыдущего третьим транзистором VT3. При этом в схеме появляется второй равнозначный выход. Даже при различных сопротивлениях в цепях нагрузки RHj и

Rh2 выходные токи такого источника тока равны: 1Н] = 1Н 2.

Токовое зеркало с двумя выходами

Рис. 2.8. Токовое зеркало с двумя выходами

Токовое зеркало с отражением удвоенного тока Схемы на полевых транзисторах

Два выходных транзистора в последней схеме можно подключить к одному сопротивлению нагрузки, как это сделано на рис. 2.9. В этом случае выходной ток схемы удваивается по сравнению с уравнением (2.6):

Рис. 2.9. Токовое зеркало с отражением удвоенного тока Схемы на полевых транзисторах

Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора на участке насыщения расположены почти параллельно оси абсцисс (рис. 1.14, 1.16). На этом участке изменения напряжения Ucu практически не

влияют на ток стока транзистора /с и, следовательно, полевой транзистор в режиме насыщения является хорошим стабилизатором тока. По этой причине схемы источников тока на полевом транзисторе выгодно отличаются своей простотой. В самом простейшем случае затвор полевого транзистора соединяется с истоком (рис. 2.10).

Источник тока на полевом транзисторе

Рис. 2.10. Источник тока на полевом транзисторе

В приведенной схеме напряжение U3U между затвором и истоком полевого транзистора равно нулю и ток нагрузки 1Н (он же ток стока транзистора) равняется равняться начальному току стока: 1Н = 1Снач ?

Равенство выполняется, только при насыщении транзистора, т.е., если напряжение Ucu превышает напряжение отсечки: Ucu > U0 . Отсюда следует условие работоспособности схемы:

При нарушении последнего условия схема выходит из режима стабилизации тока.

Из-за разброса параметров полевых транзисторов точный расчет таких источников тока затруднителен.

Схема рис. 2.9 отличается от предыдущей наличием резистора R в цепи истока полевого транзистора.

Регулируемый источник тока на полевом транзисторе

Рис. 2.11. Регулируемый источник тока на полевом транзисторе

Если считать, что стокозатворные характеристики транзистора достаточно точно описываются уравнением (1.14), а напряжение на истоке: Uu = 1CR = 1HR , то из (1.14) следует условие равновесия схемы:

В данном случае, ток нагрузки определяется не только начальным током стока транзистора, но и напряжением отсечки Ua и, что очень важно, сопротивлением резистора R . Максимальное значение тока нагрузки равно 1снач при R = 0 , минимальное значение равно О

при R = U0 / RH . Из-за сильного разброса характеристик полевых транзисторов сопротивление R обычно не рассчитывается, а подбирается при настройке схемы.

Токовые зеркала (биполярные транзисторы)

Часто используемой схемой на биполярных транзисторах является так называемое токовое зеркало, которые служит в качестве простого стабилизатора тока, обеспечивающего почти неизменный ток через нагрузку в широком диапазоне сопротивлений нагрузки.

Мы знаем, что в транзисторе, работающем в активном режиме, ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент β. Мы также знаем, что отношение тока коллектора к току эмиттера называется коэффициентом α. Поскольку ток коллектора равен току базы, умноженному на β, а ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора, то α может быть математически выведен из β. Если вы упростите несколько формул, то обнаружите, что для любого транзистора α = β/(β+1).

Мы уже видели, как поддержание неизменного тока базы транзистора в активном режиме приводит к стабилизации тока коллектора в соответствии с коэффициентом β. Коэффициент α работает аналогично: если ток эмиттера поддерживается неизменным, ток коллектора будет оставаться на стабилизированном значении, если падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора достаточно, чтобы поддерживать транзистор в активном режиме. Поэтому, если у нас есть способ удерживать постоянным ток эмиттера, то транзистор будет работать, стабилизируя ток коллектора на неизменном значении.

Помните, что переход база-эмиттер биполярного транзистора представляет собой не что иное, как PN переход, подобный диоду, и что «диодное уравнение» показывает величину тока, протекающего через PN переход, с учетом прямого падения напряжения и температуры перехода:

  • ID – ток, проходящий через диод, в амперах;
  • IS – ток насыщения диода, в амперах;
  • e – постоянная Эйлера (~2,718281828);
  • q – заряд электрона (1,6 × 10-19 кулона);
  • VD – напряжение на диоде, в вольтах;
  • N – коэффициент «неидеальности» или «эмиссии» (обычно равен от 1 до 2);
  • k – постоянная Больцмана (1,38 × 10-23);
  • T – температура перехода в Кельвинах.

Если напряжение и температуру перехода поддерживаются постоянными, то ток PN перехода будет постоянным. По этой причине, если бы мы удерживали напряжение перехода база-эмиттер транзистора постоянным, то ток эмиттера транзистора будет постоянным при постоянной температуре (рисунок ниже).

Постоянное VБЭ дает в результате постоянный IБ, постоянный IЭ и постоянный IК

Этот постоянный ток эмиттера, умноженный на постоянный коэффициент α, дает постоянный ток коллектора через Rнагр, если имеется достаточное напряжение батареи, чтобы поддерживать транзистор в активном режиме для любого изменения сопротивления Rнагр.

Для поддержания постоянного напряжения на переходе база-эмиттер транзистора используется диод в режиме прямого смещения, подключенный параллельно переходу база-эмиттер, что устанавливает постоянное напряжение примерно 0,7 вольта.

Переход диода поддерживает постоянное напряжение базы на уровне 0,7 В и постоянный ток базы

Напряжение, падающее на диоде, вероятно, не будет равно точно 0,7 вольта. Точное значение прямого напряжения, падающего на нем, зависит от тока через диод и температуры диода, всё в соответствии с диодным уравнением. Если ток диода увеличивается (например, с помощью уменьшения Rсмещ), падение напряжения на нем будет несколько увеличиваться, увеличивая падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, что пропорционально увеличит ток эмиттера, предполагая, что PN переход диода и переход база-эмиттер транзистора хорошо согласованы друг с другом. Другими словами, в любой момент времени ток эмиттера будет точно равен току диода. Если вы измените ток диода, изменив значение сопротивления Rсмещ, то ток эмиттера последует за ним, потому что ток эмиттера описывается тем же уравнением, что и ток диода, а падения напряжений на обоих PN переходах равны.

Помните, что ток коллектора транзистора почти равен току его эмиттера, поскольку отношение α типового транзистора почти равно единице (1). Если мы контролируем ток эмиттера транзистора, регулируя ток через диод простой подстройкой резистора, то мы также контролируем ток коллектора транзистора. Другими словами, ток коллектора повторяет, как зеркало, ток диода.

Таким образом, ток через резистор Rнагр является функцией тока, установленного резистором смещения, причем оба почти равны. Это является назначением данной схемы: стабилизировать ток через резистор нагрузки с помощью удобной подстройки значения Rсмещ. Ток через диод описывается простой формулой: напряжение источника питания минус напряжение диода (почти постоянное значение), деленное на сопротивление Rсмещ.

Для согласования характеристик двух PN переходов (переход диода и переход база-эмиттер транзистора), вместо обычного диода можно использовать транзистор, как показано на рисунке ниже (a).

Схемы токового зеркала

Поскольку одним из факторов в «диодном уравнении» является температура, и мы хотим, чтобы два PN перехода вели себя одинаково во всех рабочих условиях, мы должны поддерживать у обоих транзисторов одинаковую температуру. На дискретных компонентах это легко сделать, склеив корпуса двух транзисторов. Если транзисторы производятся сразу в одной кремниевой микросхеме (в виде так называемой интегральной микросхемы, или ИМС), разработчики должны располагать два транзистора близко друг к другу, чтобы облегчить передачу тепла между ними.

Схема токового зеркала на двух NPN транзисторах, показанная на рисунке (a) выше, иногда называют токопринимающим типом, поскольку стабилизирующий транзистор проводит ток к нагрузке от земли («втекающий» ток), а не с положительной клеммы батареи («вытекающий» ток). Если нам нужна нагрузка, соединенная с землей, и схема токовыдающего токового зеркала, то можем использовать PNP транзисторы, как показано на рисунке выше (b).

Хотя в составе микросхемы легче изготовить транзисторы, но в нее могут быть включены и резисторы. Разработчики микросхем избегают некоторых резистором, заменяя резисторы нагрузки на источники тока. Схема, аналогичная операционному усилителю, построенная на дискретных компонентах, будет иметь несколько транзисторов и множество резисторов. Версия на интегральной микросхеме будет иметь множество транзисторов и несколько резисторов. На рисунке ниже одно опорное напряжение (Q1) управляет несколькими токовыми зеркалами: Q2, Q3 и Q4. Если площади у Q2 и Q3 одинаковы, то и токи нагрузок Iнагр будут равны. Если нам нужен 2·Iнагр, то можно соединить параллельно Q2 и Q3. Еще лучше изготовить один транзистор, скажем Q3, с удвоенной площадью Q2. Ток I3 тогда будет в два раза больше, чем I2. Другими словами, ток нагрузки пропорционально зависит от площади транзистора.

Несколько токовых зеркал могут управляться одним (Q1 - Rсмещ) источником напряжения

Обратите внимание на то, что линию подачи напряжения базы принято рисовать прямо через условные обозначения транзисторов нескольких токовых зеркал. Или в случае Q4 на рисунке выше, два источника тока объединены в одно условное обозначение транзистора. Резисторы нагрузки нарисованы почти невидимыми, чтобы подчеркнуть тот факт, что в большинстве случаев они не существуют. Нагрузка часто представляет собой другую (их может быть несколько) транзисторную схему, например пару эмиттеров дифференциального усилителя, например Q3 и Q4 в схеме «Простой операционный усилитель» в главе 8. Часто коллекторная нагрузка транзистора является не резистором, а токовым зеркалом. Например, коллекторная нагрузка коллектора Q4 – это токовое зеркало Q2 (глава 8).

Для примера токового зеркала с несколькими коллекторными выходами смотрите Q13 в модели операционного усилителя 741, глава 8. Выходы токового зеркала Q13 используются вместо резисторов в качестве коллекторных нагрузок для Q15 и Q17. Из примеров мы видим, что в интегральных микросхемах вместо резисторов предпочитают использовать токовые зеркала.

Подведем итоги:

  • Токовое зеркало представляет собой транзисторную схему, которая стабилизирует ток через нагрузку, точка стабилизации устанавливается простой подстройкой резистора.
  • Транзисторы в схеме токового зеркала для точной работы должны поддерживаться при одинаковой температуре. При использовании дискретных транзисторов для этого вы можете склеить их корпуса вместе.
  • Схемы токовых зеркал могут быть построены в двух основных вариантах: токопринимающая схема, где стабилизирующий транзистор соединяет нагрузку с землей, и токовыдающая схема, где стабилизирующий транзистор соединяет нагрузку с положительным выводом источника питания постоянного напряжения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *