Реферат: Генераторы стабильного тока и напряжения
Реферат: 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)
а б в г
д е ж
Рис. 1. Схемы генераторов
стабильного тока
|
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.
а б
Рис. 2. Функциональная
схема (а) и применение (б) токового зеркала
|
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.
а б в
Рис. 3 Реализация
токовых зеркал
|
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.
а б
Рис. 4. Схемы ГСН на
транзисторах
|
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).
Рис. 5. Зависимость ТКН
Стабилитронов от
напряжения
стабилизации и рабочего
тока
|
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.
в
Рис. 6. Реализация ГСН
на ИС
|
а б
|
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.