2.14. струмові дзеркала
Від схеми зміщення з використанням узгодженої пари транзисторів легко перейти до так званого токовому дзеркала (рис. 2.44). Робота струмового дзеркала «програмується» шляхом завдання колекторного струму транзистора Напруга для встановлюється відповідно до заданого струмом, температурою навколишнього середовища і типом транзистора. В результаті виявляється заданим режим схеми, і транзистор, узгоджений з транзистором (найкраще використовувати монолітний здвоєний транзистор), передає в навантаження такий же струм, що заданий для.
Мал. 2.44. Класична схема струмового дзеркала на основі узгодженої пари біполярних транзисторів. Відзначимо, що позитивне напругу живлення прийнято позначати, навіть в тих випадках, коли використовуються транзистори р-п-р-типу.
Невеликими базовими струмами можна знехтувати.
Одна з переваг описаної схеми полягає в тому, що її діапазон стійкості по напрузі дорівнює за вирахуванням декількох десятих часток вольта, так як немає падіння напруги на емітерний резисторі. Крім того, у багатьох випадках зручно задавати струм за допомогою струму. Найлегше отримати керуючий струм за допомогою резистора (рис. 2.45). У зв'язку з тим, що емітерний переходи транзисторів є діоди, падіння напруги на яких мало в порівнянні з, резистор 14,4 кОм формує керуючий, а отже, і вихідний струм величиною. струмові
Їх широко використовують при проектуванні інтегральних схем, коли: а) під рукою є багато узгоджених транзисторів і б) розробник хоче створити схему, яка б працювала в широкому діапазоні живлячої напруги. Існують навіть безрезісторние інтегральні операційні підсилювачі, в яких режимний ток всього підсилювача задається за допомогою одного зовнішнього резистора, а струми окремих внутрішніх підсилювальних каскадів формуються за допомогою струмових дзеркал.
Недоліки струмових дзеркал, обумовлені ефектом Ерлі.
Просте струмове дзеркало володіє одним недоліком: вихідний струм дещо змінюється при зміні вихідної напруги, т. Е. Вихідний опір схеми не нескінченно. Це пов'язано з тим, що при заданому струмі транзистора напруга злегка змінюється в залежності від колекторного напруги (прояв ефекту Ерлі); інакше кажучи, графік залежності колекторного струму від напруги між колектором і емітером при фіксованій напрузі між базою і емітером не є горизонтальною лінією (рис. 2.46). Практично ток може змінюватися приблизно на 25% в діапазоні стійкої роботи схеми, тобто характеристики такої схеми істотно гірше, ніж характеристики розглянутого вище джерела струму з емітерним резистором.
Якщо ж потрібен більш високоякісний джерело струму (найчастіше таких вимог не виникає), то підійде схема, показана на рис. 2.47.
Мал. 2.47. Покращена схема струмового дзеркала.
Емітерний резистори обрані таким чином, що падіння напруги на них становить кілька десятих часток вольта; така схема набагато кращий джерело струму, так як в ній зміни напруги, обумовлені змінами напруги, надають нехтує малий вплив на вихідний струм. У цій схемі також слід використовувати узгоджені транзистори.
Токове дзеркало Уїлсона.
На рис. 2.48 представлено ще одне струмове дзеркало, що забезпечує високу ступінь сталості вихідного струму.
Мал. 2.48. Токове дзеркало Уїлсона. Вплив змін напруги на навантаженні на вихідний струм придушене за рахунок каськодного включення транзистора, яке дозволяє зменшити зміни напруги транзистора.
Транзистори включені як в звичайному струмовому дзеркалі.
Мал. 2.49. Схема струмового дзеркала з декількома виходами. Ця схема широко використовується для отримання декількох програмованих джерел струму.
Завдяки транзистору потенціал колектора транзистора фіксований і на подвоєну величину падіння напруги на діоді нижче, ніж напруга живлення. Таке включення дозволяє придушити ефект Ерлі в транзисторі колектор якого тепер служить для завдання режиму роботи схеми; вихідний струм визначається транзистором. Транзистор не впливає на баланс струмів, якщо його базовий струм дуже малий; його єдина функція полягає в тому, щоб зафіксувати потенціал колектора. В результаті в токозадающіх транзисторах падіння напруги на емітерний переходах фіксовані; транзистор можна розглядати як елемент, який просто передає вихідний струм в навантаження, напруга на якій є змінним (аналогічний прийом використовують при каскодних включенні, яке ми розглянемо пізніше). До речі, транзистор не обов'язково погоджувати з транзисторами.
Схеми з декількома виходами і коефіцієнти відображення струму.
Схему струмового дзеркала можна побудувати так, що випливає вихідний струм (або впадає - в разі використання транзисторів п-р-п-типу) буде передаватися в кілька навантажень. Про те, як ця ідея втілюється в життя, дає уявлення схема, зображена на рис. 2.49. Відзначимо, що якщо один з транзисторів-джерел струму переходить в режим насичення (в тому випадку, наприклад, коли відключається його навантаження), то його база буде відбирати підвищений струм із загальної лінії, що з'єднує бази всіх транзисторів, і в зв'язку з цим зменшуються інші вихідні струми. Положення можна поліпшити, якщо включити в схему ще один транзистор (рис. 2.50).
На рис. 2.51 представлені два варіанти многовиходного струмового дзеркала. Ці схеми відображають подвоєний (або половинний) керуючий струм.
Мал. 2.51. Струмові дзеркала, в яких коефіцієнт відображення струму відмінний від.
Мал. 2.52. Зниження вихідного струму за допомогою емітерного резистора. Відзначимо, що вихідний струм тут не кратний керуючому.
При розробці струмових дзеркал в інтегральних схемах коефіцієнт відображення струму задають шляхом вибору розмірів (площ) емітерний переходів.
Фірма Texas Instruments пропонує струмові дзеркала Вілсона у вигляді закінчених монолітних схем в зручних транзисторних корпусах типу. Серія включає схеми, які забезпечують відносини, при цьому діапазон стійкості вихідної напруги визначається значеннями від 1,2 до 40 В. Схема Уїлсона володіє хорошими характеристиками джерела струму при постійному програмуючому струмі вихідний струм збільшується тільки на 0,05% на вольт - крім усього вона дуже недорога (50 центів і дешевше). На жаль, ці корисні схеми існують тільки на транзисторах n-p-n-типу.
Ще один спосіб отримання вихідного струму, кратного керуючому, полягає у включенні додаткового резистора в ланцюг емітера вихідного транзистора (рис. 2.52). Якщо схема працює з струмами різної щільності, то, відповідно до рівняння Еберса-Молла, різниця напруг залежить тільки від відносини щільності струмів.
Мал. 2.53. Залежність відносини колекторних струмів в узгоджених парах транзисторів від різниці напруг база-емітер.
Для узгоджених транзисторів ставлення колекторних струмів дорівнює відношенню густини струмів. Графік на рис. 2.53 дозволяє визначити різницю напруг між базою і емітером в подібному випадку і корисний при розробці струмових дзеркал з непоодиноким відображенням.
Вправа 2.12. Покажіть, що струмове дзеркало з непоодиноким відображенням, показане на рис. 2.52, працює так, як ми описали.