Генератори стабільного струму і напруги

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки

Кафедра систем телекомунікацій

РЕФЕРАТ

На тему:

«Генератори стабільного струму і напруги»

МІНСЬК, 2008

Генератори стабільного струму

Для усунення і стабілізації режимів ІС широко використовують генератори стабільного струму (ГСТ): для стабілізації режимів і в якості активного навантаження підсилювальних каскадів; як ІП емітерів Т диференціальних підсилювачів; в інтеграторах, генераторах пилкоподібної напруги і т.д. Під ГСТ розуміють двухполюсник, струм через який практично не залежить від прикладеної напруги. Якщо на такий двухполюсник подати суму постійного і змінного напружень, то його опір для змінної складової буде високим. Опір для постійної складової зазвичай потрібне невелике. Найважливішими параметрами ГСТ є вихідний опір (В ідеалі ), Вихідний постійний струм і робочий діапазон - діапазон вихідної напруги, в якому ГСТ зберігає свої властивості.

Найпростіший ГСТ (рис. 1, а) забезпечує струм , Де , - Напруга база - емітер і коефіцієнт передачі струму Т. Для визначення параметра нагадаємо, що вихідний опір каскаду з ОЕ (без урахування навантаження) становить

, (1)

а б в г

д е ж

Рис. 1. Схеми генераторів стабільного струму

де - Еквівалентний (з урахуванням дільника зсуву) опір генератора; - Сумарне (з урахуванням диференціального опору ) Опір в ланцюзі емітера.

Стосовно до розглянутого ГСТ вираз (1) трансформується в . При малих струмах величина складає десятки і сотні килоом. Робочий діапазон відповідає зміні напруги на колекторі в межах від до . Основними недоліками цього ГСТ є: відносно невисока вихідний опір; низька температурна і режимна (при зміні напруги ІП) стабільність вихідного струму.

Для підвищення стабільності за допомогою додаткових опорів і вводиться емітерна стабілізація ГСТ (див. рис.1, а), при якій струм . Вона, як випливає з співвідношення (1), збільшує опір ГСТ, але зменшує його робочий діапазон на падіння напруги . Подальше підвищення температурної стабільності досягають включенням Д послідовно з опором . Якщо характеристики Д узгоджені з аналогічними Т, то це нейтралізує зміна струму під впливом температурного збільшення . Узгодження характеристик забезпечують діодним включенням Т. Необхідну напругу на базу Т ГСТ можна подавати також за допомогою стабілітрона (замість опору ) Або декількох діодів. Іноді ГСТ, в яких струм випливає з навантаження, називають "поглиначами" струму, а з втікають струмом - джерелами (див. рис.1, а, б).

Реалізація ГСТ на ПТ може бути простіше: без окремого джерела зсуву, тобто за схемою двополюсного включення. Такі ГСТ виконують на ПТ з керуючим переходом і ПТ з ізольованим затвором та вбудованим каналом (рис. 1, в, г). Їх вихідний опір одно , Де , - Внутрішній опір і крутість ПТ

Істотний недолік розглянутих ГСТ - відносно невелика вихідний опір. Для його збільшення застосовують двухтранзісторние ГСТ (рис. 1, д - ж). У генераторі на БПТ опір і становить сотні (тисячі) килоом, в ГСТ на ПТ воно визначається співвідношенням ( ( ), ( ) - Внутрішній опір і крутість транзистора VT 1 (VT 2)) і досягає одиниць (десятків) мегаом. Для підвищення струму затвор ПТ VT 1 можна підключити не до корпусу, а до витоку ПТ VT 2, що зменшує напругу зсуву ПТ VT 1 і збільшує його струм. Але вихідний опір ГСТ виявляється при цьому менше.

Напруга на базі (затворі) Т наведених ГСТ фіксоване. Якщо передбачити можливість його зміни, то отримаємо програмований ГСТ. У разі зміни цієї напруги за законом сигналу струм відстежує його, що відповідає керованого генератора струму.

Від ГСТ зі зміщенням на основі узгодженої пари Т легко перейти до так званого струмовим дзеркалом (ТЗ), широко застосовується в схемотех-ніку аналогових ІС. ТЗ (відбивачем струму) називають функціональний вузол, у якого струми двох сходяться в одну точку гілок рівні, причому вхідний управляє вихідним (Рис. 2, а). У даному випадку загальною точкою є заземлення. У вихідну гілку включена навантаження і подається напругу живлення. Вхідний опір ТЗ мало, вихідна - велике (в межі ). Тому струм не залежить від напруги в точці 2, а визначається струмом . Коефіцієнт передачі є основним параметром ТЗ. У загальному випадку ТЗ можна розглядати як окремий випадок керованого генератора струму. У нього коефіцієнт не обов'язково дорівнює 1.

а б

Рис. 2. Функціональна схема (а) і застосування (б) струмового дзеркала

Найбільш часто ТЗ застосовуються як ГСТ і динамічних навантажень Т диференціального каскаду, забезпечуючи перехід від симетричного виходу до несиметричного високоомного. Розглянемо останнє застосування (рис. 2, б).

У початковому стані транзистори VT 1 і VT 2 мають рівні колекторні струми . Коли на диференціальний вхід надходить деяка напруга , Перший з них, наприклад , Збільшується до значення , А другий ( ) Зменшується до величини . Струм повторюється ТЗ, тому вихідний струм каскаду становить і дорівнює сумі корисних складових обох Т. Якщо ж на бази транзисторів VT 1 і VT 2 надійде синфазное (щодо корпусу) збільшення напруги, то вихідний струм буде дорівнює нулю і ( - Коефіцієнт ослаблення синфазного напруги (синфазної перешкоди), що показує, у скільки разів коефіцієнт передачі синфазного вхідного напруги менше, ніж диференціального). На практиці , Тому синфазних перешкода пригнічується не повністю.

а б в

Рис. 3 Реалізація струмових дзеркал

Найпростіша (основна) схема ТЗ представлена ​​на рис. 3, а. Передбачається, що транзистори VT 1 і VT 2 однакові. Вхідний струм вводиться через додатковий опір . Очевидно, у схемі , , , , А вихідний опір (з урахуванням формули (1)) одно . Для зменшення відмінності струмів гілок, що збільшує значення параметра , В ТЗ вводять буферний Т VT 3 (рис.3, б), який зменшує різниця струмів в разів. Тому . Вихідний опір таке ж, як і в попередній схемі. Колекторний струм VT 3 набагато менше струмів Т VT 1 і VT 2, через що коефіцієнт має низьке значення. Для збільшення струму іноді включають токоотводящий опір .

Розглянуті ТЗ мають відносно невисоким вихідним опором. У результаті струм залежить від вихідної напруги, яке при високоомній навантаженні може бути значним. Це тягне за собою додатковий розбаланс плечей, тобто зменшує коефіцієнт . Для збільшення опору застосовують ТЗ з стежить напругою другому Т, зване ТЗ Уїлсона (рис. 3, в). У ньому емітер Т VT 3 повторює напруга на колекторі Т VT 1, тому колекторні напруги Т VT 1 і VT 2 майже однакові і не залежать від вихідного. Коефіцієнт має те ж значення, що і в основній схемі ТЗ. Вихідний опір істотно вище (близько ), Через що схема не розбалансує вихідною напругою і працездатна за більш високоомній навантаженні. Подальше підвищення опору можна забезпечити включенням в емітери Т VT 1 і VT 2 опорів, обираних порядку 1 кОм. Сказане справедливо також для інших ТЗ.

Якщо в ТЗ (див. рис. 3, а) до колектора Т VT 1, крім Т VT 2, підключити ще кілька Т зі своїми навантаженнями, то отримаємо схему з декількома виходами. При цьому можлива ситуація, коли один з вихідних Т входить у режим насичення, наприклад, при відключенні його навантаження. Тоді база Т буде відбирати із загальної лінії підвищений струм, що зменшить вихідні струми інших Т. Для виключення цього вводять буферний Т, аналогічний Т VT 3 на рис. 3, б.

Для побудови ТЗ, що відображає подвоєний (половинний) вхідний струм, необхідно в схемі (див. рис. 3, а) паралельно Т VT 2 (VT 1) підключити ще один Т. У ТЗ на ІВ коефіцієнт часто задають вибором розмірів (площ) емітерного переходу. Фірмою Texas Instruments випускаються монолітні ТЗ з коефіцієнтом передачі 1,0, 0,5, 0,25 і 2,0 і робочим діапазоном від 1,2 до 40 В. Можливим способом реалізації ТЗ з кратними струмами і є включення в ланцюг емітера вихідного (вхідного) Т додаткового опору.

Генератори стабільної напруги

У схемотехніці аналогових ІС широко застосовують генератори стабільної напруги (ДБН) - двухполюсник, падіння напруги на яких слабо залежить від протікаючого струму. Найпростіший ДБН - діод, через який протікає струм (від ГСТ або через опір від ІП). Як діода зазвичай використовують прямосмещенний емітерний перехід Т, стабілізуючий напругу на рівні приблизно 0,65 В. Для збільшення напруги стабілізації застосовують послідовне з'єднання двох Т в діодному включення або схему рис. 4, а. У ній ( , - Напруги база - емітер Т). Іноді з метою підвищення струму Т VT 1 додатково вводять шунтуючі опір розміром кілька килоом, що зменшує його диференціальний опір. Подальше збільшення досягають ланцюгами з трьох (чотирьох) Т. Температурний коефіцієнт напруги, стабилизируемого прямим включенням діодів, є негативним.

а б

Рис. 4. Схеми ДБН на транзисторах

Для отримання малих значень часто використовують паралельне з'єднання дільника і Т VT (рис. 4, б). Тут напруга і, значить, струм через опір стабільні. Приріст зовнішнього напруги докладено до опору і змінює струм бази, що впливає на струм колектора. Напруга стабілізації (нехтуємо струмом бази) складає . Варіюючи значеннями і , Можна регулювати величину . Очевидно, у схемі , Де ( ) - Приріст струму (напруги) ДБН; - Крутизна останнього. Тому вихідний опір розглянутого ДБН одно і становить приблизно 50 ... 200 Ом.

Замість діодів до ДБН часто застосовують стабілітрони. Вони мають такі недоліки: кінцевий набір значень і великий допуск на них (крім дорогих прецизійних стабілітронів); великий рівень шуму; досить велике диференціальний опір; залежність напруги від температури (наприклад, стабілітрон з = 27 В з серії 1 N 5221 виробництва США має коефіцієнт = 0,1% / град).

Рис. 5. Залежність ТКН

Стабілітронів від напруги

стабілізації і робочого струму

Дослідженнями фірми Motorola, Inc. встановлено, що в околі точки = 6 У стабілітрони мають значно менший, ніж при інших напругах, диференціальний опір і майже нульовий коефіцієнт , Який залежить від робочого струму (рис. 5). Це пов'язано з використовуваними в стабілітронах двома механізмами пробою: зенеровскім (тунельним) при низькому і лавинному при високій напрузі. З урахуванням зазначених закономірностей застосовують так звані компенсовані опорні елементи у вигляді послідовного з'єднання стабілітрона з напругою 5,6 В і прямосмещенного діода. Вибираючи величину і робочий струм, можна компенсувати негативний температурний коефіцієнт діода, рівний -2,1 мВ / град. Такий підхід використаний в вироблених фірмою Motorola, Inc. дешевих опорних елементах з напругою = 6,2 В, що мають коефіцієнт від 10 ^-4% / град (1 N 821) до 5 × 10 ^-6% / град (1 N 829). Зазначені значення справедливі при струмі = 7,5 мА. При цьому у разі стабілітрона 1 N 829 збільшення струму на 1 мА змінює напругу в три рази сильніше, ніж зміна температури від -55 до +100 ^о С.

в

Рис. 6. Реалізація ДБН на ІВ

а б

Маючи компенсований опорний елемент VD з фіксованою напругою = 6,2 В, можна побудувати за допомогою буферного операційного підсилювача DA 1 ДБН на будь-яке потрібне напруження (Рис. 6, а). Опорний елемент, що представляє послідовне з'єднання стабілітрона і діода, включається в будь-який полярності. Необхідний робочий струм його = 7,5 мА задається опором , Величина якого, наприклад, при = 10 В становить 510 Ом (при цьому = 3,83 кОм і = 6,19 кОм). За розглянутій схемі будуються так звані стабілітроні ІС, що забезпечують = 30 × 10 ^-6% / град. Вони, як і їх дискретні аналоги, володіють істотним недоліком: мають високий рівень шуму, який сильніше в стабілітронах з лавинним пробоєм ( > 6 В). Для зменшення шуму використовують стабілітрону структуру з так званим похованим, або під поверхневим, шаром.

Останнім часом до ДБН в якості опорних елементів все ширше застосовують так звані стабілітрони з напругою забороненої зони, які було б точніше назвати -Стабілітронами (рис. 6, б). У них елементи VT 1, VT 2 і утворюють ТЗ з коефіцієнтом передачі <1. Очевидно,

,

,

= ,

,

,

де , , - Напруги база - емітер Т VT 1 ... VT 3;

, - Вхідний і вихідний струми ТЗ;

- Падіння напруги на резисторі .

З цього випливає, що напруга , На відміну від , Має позитивний температурний коефіцієнт. Тому, підбираючи (в залежності від струму) величину , Можна забезпечити нульовий коефіцієнт , Що, як виявляється, виконується при 1,22 В (напруга забороненої зони кремнію при температурі абсолютного нуля). Струм ТЗ задають за допомогою опору або від ГСТ. Підключаючи розглянутий опорний елемент в попередню схему замість стабілітрона VD, можна отримати ДБН на будь-яке потрібне напруження.

У вельми поширеною схемою ДБН на основі -Стабілітрона (рис. 6, в) елементи VT 1, VT 2 і утворюють ТЗ з коефіцієнтом передачі = 0,1. За аналогією зі схемою рис. 6, б струм . Тому і = 1,22 В. Струм створює на опорі напруга з позитивним температурним коефіцієнтом, яке можна використовувати в якості вихідного сигналу температурного датчика. Ланцюг негативного ОС (підсилювач DA 1, дільник , Т VT 1 і VT 2) додатково компенсує можливі зміни . Існують також інші варіанти побудови -Стабілітро-нів, але всі вони засновані на ТЗ з кратним відношенням струмів і складання напруг і продукованого ТЗ.

Подальші поліпшення параметра досягають температурної стабілізацією всього ГСН (термостатування). Як відомо, звичайному термостатування притаманні громіздкість, порівняно велика споживана потужність, повільні розігрів і вихід на режим (10 і більше хвилин). Тому останнім часом температуру стабілізують на рівні кристала (чіпа) ІС, включаючи до складу останньої нагрівальну схему з температурним датчиком. Підхід вперше випробуваний у 60-х роках фірмою Fairchild (США), що випустила стабілізовану диференціальну пару m А726 і попередній підсилювач постійного струму m А727. Пізніше з'явилися "терморегулятора" ДБН, наприклад, серії National LM 399, які мають = 2 × 10 ^-5% / град. Такі ГСН виробляються в стандартних транзисторних корпусах типу ТО-46, мають нагрівачі з потужністю споживання 0,25 Вт і часом виходу на режим не більше 3 с. Вони побудовані на стабілітронах з похованим шаром. Відзначимо також, що на основі останніх шляхом якісного схемотехнічного рішення фірмою Linear Technology (США) створені ДБН без підігріву, що мають = 0,05 × 10 ^-6% / град і на порядок кращі характеристики по довготривалої стабільності і шуму.

ЛІТЕРАТУРА

1. Степаненко І. П. Основи теорії транзисторів і транзисторних схем. - 4-е вид., Перераб. і доп. - М.: Енергія, 2003. - 608 с.

2. Математичне моделювання та макромоделювання біполярних елементів електронних схем / Е.А. Чахмахсазян, Г.П. Мозговий, В. Д. Силін. - М.: Радіо і зв'язок, 1999. - 144 с.

3. Ногін В.М. Аналогові електронні пристрої: Навчальний посібник для вузів. - М.: Радіо і зв'язок, 2002. - 304 с.