Запорожец  Издания 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 [ 52 ] 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193

Глава 3. Источники постоянного тока, напряжения и опорного напряжения

3.1. Источники постоянного тока

Идеальный источник постоянного тока - это элемент электрической схемы, который обеспечивает ток в нагрузке, не зависящий от падения напряжения на нагрузке или от сопротивления нагрузки. Заметим, что определение «постоянный» в термине «источник постоянного тока» означает, что ток не зависит от условий, определяемых нагрузкой. Следовательно, при таком определении источник постоянного тока может вырабатывать изменяющийся во времени, т. е. переменный, ток. Источник постоянного тока может быть управляемым, в этом случае ток источника является функцией другого напряжения или тока в системе и не зависит от напряжения на нагрузке, подаваемого с рассматриваемого источника постоянного тока.

В электронных устройствах, особенно на интегральных схемах, часто применяются источники постоянного тока и, в частности, тока, постоянного во времени. Хотя в реальном электронном устройстве невозможна реализация идеального источника постоянного тока, существуют способы, позволяющие получить очень близкую аппроксимацию такого идеального источника.

В этом случае, например, широко используется тот факт, что для транзистора в активном режиме ток коллектора относительно независихм от напряжения на коллекторе. Для транзистора в активной области, или в активном режиме работы, напряжение между коллектором и эмиттером Vce должно быть больше ~0,2 В, но меньше напряжения пробоя между коллектором и эмиттером SVceo. которое для транзисторов ИС составляет по крайней мере 50 В. В этом диапазоне напряжений ток коллектора относительно независим от напряжения между коллектором и эмиттером Vce- Для реализации источников тока подходят полевые транзисторы, работающие в режиме насыщения, в котором ток стока практически не зависит от отношения напряжения стока к напряжению источника. В этой главе рассматриваются и МОП-полевые транзисторы, и полевые транзисторы с управляющим рп-переходом.

Сначала исследуем основную схему, показанную на рис, 3.1. Прежде всего рассмотрим случай, когда оба транзистора полн)стью

6 Соклоф с.



идентичны. Поскольку базы обоих транзисторов соединены и эмиттеры подключены к общей точке, можно записать, что Кд, = Vq и Кя. = Ve, откуда Vbe = Vbb- Таким образом, оба транзистора имеют абсолютно одинаковые падения напряжения между базой и эмиттером. Qi - транзистор в диодном включении, так как его коллектор закорочен на базу, следовательно. Уев = 0. Эмиттерный переход транзистора Qi смещен в прямом направлении протекающим через него током /j. Поскольку Vcb - О, коллекторный переход заперт, поэтому Qi работает в активной области.


Рис. 3.1. Схема токового зеркала.

. Транзистор будет работать в активной области все время, пока напряжение на нем Vce, больше 0,2 В, но меньше напряжения пробоя BVcEO- Поскольку транзисторы идентичны, оба они находятся в активной области с одинаковыми напряжениями между базой и эмиттером и коллекторные токи обоих транзисторов приблизительно равньп 1с, = /с,. Поскольку /j = /с, + /в, + + /в, = /с + 2/с/р = /с (1 + 2/р), имеем = /с, = + Н- 2/р). Усиление по току $ (или hfg) для ИС-транзисторов много больще единицы, поэтому можно сказать, что /с, = /с, « h-Для типичного усиления по току 100 учет влияния базового тока даст лишь 2 %-ное различие между /с и /j. Даже такое низкое усиление потоку, как 50, приведет только к 4 %-ному различию между /с и /i. Следовательно, на практике в большинстве случаев можно пренебречь влиянием базового тока и считать, что /с, = /с. » h.

Рассмотренную схему будем называть токовым зеркалом, так как ток, текущий через левую часть схемы, является по существу зеркальным отражением тока в правой части. Эта схема служит основой большинства схем источников тока, которые будут здесь рассматриваться, а также большинства схем активной нагрузки дифференциального усилителя, которые исследуются ниже.

Предыдущий анализ транзисторной пары токового зеркала был проведен в предположении полной идентичности обоих транзи-



Рис. 3.2. Основная схема источника тока.

Ог Vc2=VcEj=Vo

Для схемы токового зеркала различие усилений по току не играет большой роли вследствие малости базового тока, тогда как напряжение смещения может оказаться существенным. Понятие напряжения смещения пары транзисторов будет важно также при рассмотрении дифференциального усилителя. Для двух транзисторов, которые в активной области характеризуются соотношениями

/с. =/го. ехр (Fb£,/F7-) для Q,, (3.1)

1с,== ho.exp {VbeJVt) для Q2, (3.2)

напряжение смещения Vqs будет определяться уравнением ехр (Vos/l/j-) = Ifojhos- Поэтому в паре транзисторов токового зеркала (при Уввг ~ VbeJ токи коллекторов не будут точно равны, а будут подчиняться соотношению IcJIc = hojho, == - exp (Vqs/Vt)- Для идентичных транзисторов, как правило, напряжения смещения порядка ±1 мВ. Это соответствует отношению токов Icjlc, = exp {Vos/Vt) = exp (±1 мВ/25 мВ) = 1 ± ± 1/25 = 1 ±- 0,04, или ±4 %-ному различию между коллекторными токами пары транзисторов.

Рассмотрим простой источник постоянного тока, показанный иа рис. 3.2. Ток равен

/1 = {V - VsE yRu (3.3)

сторов. Рассмотрим, что происходит в реальной ситуации, когда это предположение не выполняется. Например, даже у двух ИС-тоанзисторов идентичной конструкции, которые расположены в непосредственной близости друг к другу на одном кристалле ИС, существуют небольшие различия в электрических характеристиках.

Наиболее важное различие между двумя идентичными транзисторами состоит в ширине базы W. Это различие в ширине базы двух в остальном идентичных транзисторов проявляется в различии усилений по току и становится причиной напряжения смещения Vos-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 [ 52 ] 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193