А. Миронов

Генераторы стабильного тока (ГСТ) в настоящее время широко используются при проектировании источников стабилизированного тока и напряжения, высокоомных активных нагрузок и т. д. Наибольшее распространение получили схемы ГСТ, приведенные на рис. 1 (а, б).

Рис. 1. Схемы распространенных ГСТ

Устройство, схема которого приведена на рис. 1, а, представляет собой токостабилизирующий двухполюсник, способный генерировать стабилизированный ток в широком диапазоне. Установка требуемой силы тока производится резистором в цепи истока. Схема проста, надежна и имеет минимальное количество элементов, однако ток стабилизируется при относительно высоком напряжении на двухполюснике (назовем это напряжение граничным - Uгр). Так, например, для токов в диапазоне 0,05... 1 мА напряжение Uгр составляет 0,8...2 В.

ГСТ, изображенный на схеме рис. 1, б, содержит большее количество деталей, однако обеспечивает меньшие значения напряжения Uгр. Так, например, если в качестве элемента VD1 выбрать один кремниевый диод (тогда он включается в прямом направлении), а в качестве VT1 - германиевый транзистор, то генерация тока начинается уже при напряжении Uгр=0,4...0,6 В (здесь под Uгр понимается напряжение между коллектором VT1 и общим проводом). Напряжение Uгр можно уменьшить на 100...150 мВ, заменив кремниевый диод на два германиевых, включенных последовательно. Регулировка тока производится резистором R2. В отличие от предыдущей схемы здесь ток ГСТ можно рассчитать с погрешностью не хуже ±20 %.

Получить меньшие напряжения Uгр можно, если застабилизировать непосредственно напряжение Uбэ транзистора VT1 (см. рис. 1, б) и исключить резистор R2. Однако для реализации этого требуются полупроводниковые приборы с весьма близкими характеристиками р - n переходов, в частности, можно использовать дифференциальные транзисторные пары. ГСТ, показанный на рис. 2, состоит из следующих элементов; вспомогательного ГСТ G1, источника опорного напряжения на транзисторе VT1.1 и ГСТ на транзисторе VT1.2. Вспомогательный ГСТ может быть собран по любой из известных схем.

Рис. 2. Низковольтный ГСТ

Транзистор VT1.1, работая в диодном включении, находится в нормальном активном режиме, поэтому для коллекторного тока справедливо выражение:

Ток ГСТ будет повторять ток генератора тока G1 с приемлемой точностью, и поэтому такая схема получила название «токового зеркала».

Для определения напряжения Uгp были сняты выходные характеристики ГСТ Iгст = f(Uкэ2) в диапазоне токов генератора G1 I1= 0,05... 1 мА. Начальные участки этих характеристик показаны на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики стабилизации тока низковольтного ГСТ

По результатам измерений построена зависимость Uгр = ф (Iгст) (кривая 1). Зта зависимость получена соединением точек на кривых Iгст = f(Uкэ2), в которых ток Iгст входит в пятипроцентную зону от своего установившегося значения (здесь под установившимся понимается значение силы тока Iгст при Uкэ>> Uгр в данном случае Iуст = Iгст при Uкэ2 = 2 В). Как видно из графика, при изменении тока Iгст от 0,05 мА до 1 мА напряжение Uгр увеличивается с 135 до 240 мВ. Такое малое значение напряжения Uгр позволяет, например, применять рассмотренный ГСТ в схемах с напряжением питания до 1 В и получать на выходе усилительного каскада двойной размах выходного напряжения, практически равный напряжению питания схемы.

Эквивалентное выходное сопротивление ГСТ на горизонтальном участке характеристики Iгст = f(Uкэ2) справа от напряжения Uгр для указанной дифференциальной пары можно приближенно рассчитать по формуле

Где Ucдв - потенциал сдвига - точка на оси напряжений Uкэ, в которой пересекаются продолжения горизонтальных участков выходных характеристик транзистора. Для указанной дифференциальной пары Ucдв = -(50... 70) В. Так, например, при Iгст = 100 мкА Rгст = 600 кОм.

Выходное сопротивление ГСТ можно увеличить, включив в эмиттерные цепи транзисторов резисторы Rl, R2 (на рис. 2 они показаны пунктиром). При наличии таких резисторов выходное сопротивление ГСТ можно рассчитать по следующей формуле:

(См. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре.- М. : Сов. радио, 1979). Так, например, при Iгст = 1 мА и R1 = R2 = 56 Ом получено Rгст = 190 кОм. Интересно, что с увеличением сопротивлений этих резисторов при одном и том же токе Iгст напряжение Uгр увеличивается весьма незначительно, а в приведенном выше примере увеличение значения Uгр не наблюдалось вообще. Кривая 2 на рис. 3 представляет собой выходную характеристику ГСТ при Rl = R2 = 56 Ом. Как видно из графика, увеличение тока ГСТ начинается при более высоких напряжениях Uкэ2 однако этот процесс идет с более высокой крутизной, чем в случае, когда R1 = R2 = 0. Наличие резисторов в эмиттерных цепях оказывает обшее стабилизирую щее действие, каких бы возмущающих параметров это ни касалось: напряжения Uкэ2 или температуры окружающей среды tокр. С увеличением их сопротивления снижаются требования и к идентичности транзисторов. При падении напряжения на эмиттерных резисторах выше 100 мВ дифференциальную пару можно заменить любой парой кремниевых транзисторов, например КТ315. Однако в этом случае несколько увеличится напряжение Uгр.

Изменяя сопротивление резисторов R1, R2, можно регулировать ток ГСТ в широких пределах. Так, например, при I1= 200 мкА, R2 = 0, Uкэ2 = 2 В ток ГСТ изменялся в диапазоне от 200 мкА до 3,8 мА при изменении R1 от 0 до 470 Ом.

ГСТ, построенный по схеме рис. 2, обладает хорошей температурной стабильностью. Это объясняется идентичностью параметров транзисторов сборки. Опорное напряжение UбэV1.1 и напряжение UбэV1.2 дрейфуют одновременно с одинаковыми скоростями, и коллекторный ток транзистора VT1.2 практически не изменяется. Так, например, при увеличении температуры окружающей среды tокр с 25 °С до 70 °С ток ГСТ отклонялся от тока I1 менее чем на 2 % при Rl = R2 = 0. Увеличение сопротивления резисторов R1, R2 значительно улучшает температурную стабильность тока ГСТ.

Как было отмечено выше, для построения низковольтных ГСТ требуется еще один ГСТ - G1. Построить его можно любым из известных способов, в том числе с использованием схем рис. 1, а, б. Можно также использовать и обычный параметрический стабилизатор напряжения, изображенный на рис. 4.

Рис. 4. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Выше были рассмотрены ГСТ на транзисторах структуры n-р-n. Однако все схемы, графики и выражения, определяющие параметры ГСТ, остаются справедливыми при замене транзисторов на р-n-р. Исключение составляет только параметр Ucдв значение которого для р-n-р транзисторов несколько ниже. Например, для дифференциальной пары транзисторной сборки К198НТ5А значение напряжения Uсдв составляет 40...50 В.

В заключение - о практических схемах устройств с использованием низковольтных ГСТ. На рис. 5 приведена электрическая схема дифференциального каскада с динамической нагрузкой на ГСТ.

Рис. 5. Усилительный каскад с низковольтным ГСТ

Такая схема часто применяется при построении интегральных операционных усилителей. За счет применения низковольтного ГСТ удалось получить большую амплитуду выходного сигнала и высокий коэффициент усиления по напряжению Кu. Так, например, при R2 = 100 Ом, Rн = 120 кОм Кu = 370. При R2=1,5 кОм и Rн = 220 кОм Кu= 1000. Максимальная амплитуда выходного напряжения при этом практически равнялась +Eп/2.

Использование низковольтных ГСТ в стабилизаторах постоянного напряжения (СН) позволяет уменьшить допустимую разность между входным и выходным напряжениями на 0,5...2 В по сравнению с традиционными схемами СН. Это особенно важно в СН с низким выходным напряжением и большим током нагрузки, так как позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе и повысить КПД СН. Вариант принципиальной схемы такого СН показан на рис. 6.

Рис. 6. Стабилизатор напряжения с низковольтным ГСТ

При токе нагрузки 100 мА выходное напряжение оставалось в пятипроцентной зоне допуска при уменьшении входного до +5,6 В. Максимальный ток нагрузки можно увеличить, применив вместо транзистора VT3 составной транзистор.
[email protected]

Генераторы стабильного тока (ГСТ) должны обеспечивать неизменный выходной ток при изменении нагрузки R н .

В простейшем случае эта задача может быть решена с помощью токозадающего резистора R(рис. 2.4). В этой схеме реальная нагрузка условно показана как резистор R н . Ток в нагрузке i н:

Если R >> R н, то ток I н слабо зависит от изменений сопротивления нагрузки. Действительно, дифференцируя (2.1) получим

Следовательно, увеличивая R, можно уменьшить изменения тока нагрузки до требуемой величины. Однако схеме на рис. 2.4 присущ недостаток – большая часть мощности, поступающей от источника питания, выделяется в резисторе R и не поступает в нагрузку R н.

Значительно удобнее вместо резистора R использовать нелинейные элементы, обладающие малым сопротивлением по постоянному току R0 = U / i и большим дифференциальным R i = DU / DI, например, транзисторы.

На рис. 2.5, а приведена схема простейшего ГСТ на биполярном транзисторе и его эквивалентная схема (рис. 2.5, б ). В качестве стабилизирующего элемента используется выходная цепь транзистора (промежуток эмиттер-коллектор), имеющая вольтамперную характеристику требуемого вида (рис. 2.6).

Рис. 2.5 Рис. 2.6

Рабочая точка (ток I н) определяется пересечением характеристики и нагрузочной линии (точка А). При изменении R н рабочая точка перемещается по характеристике. Например, при уменьшении сопротивления нагрузки на величину DR н, рабочая точка переместится в точку В, что приведет к увеличению тока нагрузки на (рис. 2.6). Чем больше выходное дифференциальное сопротивление транзистора R i = Du / Di(чем более горизонтально идет характеристика), тем меньше изменение тока нагрузки I н.

Так как на участке стабилизации (пологая область) характеристика транзистора аппроксимируется выражением

i к = I 0 + u кэ / R i , (2.3)

легко получить

DI н / I н = DR н / R i . (2.4)

Таким образом, в транзисторном стабилизаторе стабилизация тока определяется величиной R i (эквивалент Rна рис. 2.4), которая может достигать десятков и сотен килоом.

Величину тока нагрузки I н можно задавать, изменяя режим работы транзистора по постоянному току с помощью резисторов R б1 иR б2 . Часто в цепь эмиттера транзистора включают резистор R э, улучшающий стабильность и увеличивающий сопротивление R i .

На рис. 2.7 приведена распространенная схема ГСТ на полевом транзисторе с управляющим переходом. Она удобна тем, что является двухполюсником и напряжение U зи формируется за счет автоматического смещения U зи = i с R и. В частном случае при R и = 0 и u зи = 0, I н = I C макс.

Широкое распространение в аналоговых ИС получили стабилизаторы тока, называемые токовыми зеркалами или отражате­лями тока. Схема рис. 2.8 отличается от схемы рис. 2.5 способом задания режима транзистора VТ2. Вместо делителя напряжения R б1 – R б2 в ней используется нелинейный делитель, составленный из резистора R0 и транзистора VT1, включенного в диодном режиме (в прямом направлении).

Ток I о в левой части схемы равен

. (2.5)

где U* – прямое напряжение, устанавливающееся на эмиттерном переходе транзистора VT1 под действием тока I 0 (напомним, что для кремниевых транзисторов U* = 0,6...0,8 В).

Ток базы второго транзистора значительно (в b раз) меньше тока I 0 и может не учитываться.

Одновременно напряжение U* поступает на базу транзистора VТ2. Оба транзистора работают в активном режиме и, если они одинаковы, то I н = I 0 (то, что для VТ1 U кб = 0, а для VТ2 U кб > 0 в активном режиме влияет слабо), причем это равенство не нарушается при различных дестабилизирующих воздействиях. Отметим, что «токовые зеркала» особенно эффективны именно в микроэлектронном исполнении, обеспечивающем идентичность параметров транзисторов, одинаковые температурные зависимости, одинаковое «старение» и т. д. Существуют также схемы, в которых «отражение тока» происходит с изменением масштаба. С этой целью в цепи эмиттеров включают резисторыR Э1 ≠R Э1 .