Генераторы постоянного тока (ГСТ)

Как уже говорилось выше, в ИМС применяют непосредственную связь между каскадами, которая требует особенно большой стабильности режимов работы каскадов при изменении температуры и питающих напряжений. Устройства для получения стабильных токов в схеме называются генераторами стабильного тока (ГСТ). Задача получения стабильного тока может быть решена с помощью устройства, в котором при изменении напряжения в широких пределах ток остается постоянным. Очевидно, что для этой цели требуется электронный прибор, вольт-амперная характеристика / = ф( ?/) которого должна иметь минимальный угол наклона к оси напряжения. Такие характеристики имеют биполярные или полевые транзисторы в активном режиме работы (рис. 13.2). При этом естественно смешение на транзисторе должно быть стабилизированным, т.е. строго постоянным. В ГСТ для этих цепей чаще исследуют каскады с ОЭ или с ОН.

Из характеристик на рис. 13.2 видно, что при значительном изменении напряжения А/У_кэ или Д?/_си, изменение тока Д/_к или Д/_с остаются почти постоянными, при этом сопротивление переменному току весьма велико.

Рис. 13.2. Выходные вольт-амперные характеристики биполярного (а) и полевого транзисторов (б)

Рис. 13.3. Схема генератора стабильного тока (ГСТ)

На рис. 13.3 приведена схема, в которой стабилизация режима работы транзистора VT1 достигается с помощью такого же транзистора VT2, работающего в диодном включении. В схеме ГСТ на резисторе R1 и транзисторе VT2 создан делитель напряжения для создания фиксированного напряжения смещения для транзистора VT1. Резистор R1 создает смещение на коллекторный переход VT 1, а транзистор VT2 на эмиттерный переход транзистора VT 1.

Транзистор VT1 включается последовательно с любой схемой в ИМС, в которой требуется стабилизация тока.

Стабильность тока /_к или /_с достигается только при условии стабильности тока базы /_Б или затворного напряжения ?/_зи, что достигается в схеме на биполярных транзисторах (рис. 13.3) диодным включением транзистора VT2 в цепи смещения для VT1.

Рис. 13.4. Вольт-ампер- ная характеристика эмиттерного перехода

Транзистор в диодном включении обладают свойством диода при прямом смещении, когда возрастание эмиттерного тока А/_Э2 не создает резкого увеличения падения напряжения А?/_БЭ2 на дифференциальном сопротивлении его эмиттерного перехода (рис. 13.4). Таким образом, за счет такого включения VT2 достигается стабильность смещения на эмиттерном переходе VT1 и достаточная стабильность тока /_К]. Одновременно с этим стабильность тока /_К1 обусловлена идентичностью параметров VT1 и VT2 в ИМС. При увеличении температуры или напряжения питания произойдет одинаковое увеличение тока обоих транзисторов, но сопротивление VT2, включенного как диод, уменьшится, снизится на нем и падение напряжения ДС/^, что уменьшит напряжение смещения, подаваемое на эмиттерный переход VT1. Это позволяет стабилизировать ток /_К1 в транзисторе VT1.

Следует иметь в виду, что транзистор VT2, хотя и включен как диод, но работает в активном транзисторном режиме, так как на его переходе коллектор—база имеется обратное смещение за счет падения напряжения на объемном сопротивлении базы (г_Б).

Для эффективного управления коллекторным током (/_К2) транзистора VT2, включенного как диод при прямом смещении, в коллекторную цепь включен резистор R1. В этом случае коллекторный ток можно определить по формуле /_к » U_K/R при U_K »С/_БЭ2- Так как транзисторы идентичны и (/_БЭ1 = и_БЭ2, то /_К2 = /_К]. В этой схеме (см. рис. 13.3) выходной ток /_К1 как бы отражает ток /_К2, поэтому эта схема получила название «отражатель тока» или «токовое зеркало». Изменяя t/_K и Л1, задают необходимый режим работы ГСТ по току, обеспечивая его стабильность и величину.

С целью повышения стабильности тока /_К1 необходимо компенсировать приращение А ?/_БЭ2, вызванное малой крутизной ВАХ эмиттерного перехода (рис. 13.4). Компенсация приращения At/gЭ2 осуществляется за счет введения ООС по току при включении конструктивной нагрузки в эмиттерной цепи (Л_Э1) транзистора VT1 (рис. 13.5), а для сохранения балансов токов VT1 и VT2 в цепь эмиттера VT2 также включается резистор R-32 = R₃₁.

Рис. 13.5. Схема генератора стабильного тока (ГСТ) с повышенной стабильностью

Включение VT2 по схеме с ОЭ создает большое выходное сопротивление схемы по переменному току, которое определяется дифференциальным

выходным сопротивлением коллекторного перехода, равным 10⁵— 10⁶ Ом, и небольшим сопротивлением по постоянному току, которое зависит от t/_0K3 и /_ок в статическом режиме и равно в пределах 10—1000 Ом, что является большим достоинством схемы ГСТ.

Рис. 13.6. Схема генератора стабильного тока (ГСТ) на основе многоколлекторного транзистора

В качестве активного элемента ГСТ в ИМС вместо двух транзисторов используют многоколлекторный транзистор (рис. 13.6). В этой схеме один из коллекторов соединен с базой и образует диодное включение, в то время как второй коллектор в структуре база—эмиттер образует обычную транзисторную структуру. Очень часто требуется увеличить выходной ток в транзисторе VT1, т.е. создать условие ^_К1^:з>^_К2 (Р^ис- 13.5), не увеличивая ток в эмиттерном переходе VT1. Для этого увеличивают площадь эмиттерного перехода VT1 или чаще всего применяют многоэмиттерный транзистор (рис. 13.7). Так, в схеме с четырех- эмиттерным транзистором /_К1 = 4(/_K/Rl.

Рис. 13.7. Схема генератора стабильного тока (ГСТ) на основе многоэмиттер- ного транзистора

Широкое применение в ИМС получила схема ГСТ (рис. 13.8, а), в которой используется еще один транзистор, включенный как эмит- терный повторитель (VT3). На вход VT3 подается напряжение, равное ^кэутг Эмиттерный переход VT3 является элементом смещения фиксированным током базы для VT1 (г_диф _эз), как в схеме на рис. 13.8, б. Таким образом, через эмиттерный переход VT3 непосредственно связываются коллектор и база транзистора VT1 в обход коллекторной нагрузки (R_K). В результате в схеме включения транзистора VT1 действует 100 %-ная последовательная ООС по напряжению, что позволяет еще в большей степени стабилизировать ток /к,- Так как схему ГСТ считают токовым зеркалом, то можно говорить и о стабилизации тока /_К2 ⁼ /_К1. Действительно, если ток /_К2 увеличится, то соответственно увеличится падение напряжения (У_БЭ2 на VT2, которое является входным напряжением для транзистора VT1. Увеличение прямого смещения на эмиттерном переходе VT1 вызовет увеличение тока /_К1, повысится падение напряжения на коллекторной нагрузке R_K и напряжение i/_K3VT1 ⁼ "к - /_К| R соответственно уменьшится, следовательно, уменьшится и ток /_К2, так как (У_кэ yjj является напряжением смещения для эмиттерного перехода транзистора VT3. Данная схема позволяет включить для стабилизации

не один транзистор VT1, а несколько параллельно, что удобно в ИМС. Кроме того, так как ток /_К1 стал более стабильным, выходное сопротивление транзистора VT1 увеличилось еще больше.

Рис. 13.9. Схема ГСТ на полевых транзисторах

Аналогичные схемы ГСТ имеются и на полевых транзисторах, например на рис. 13.9.

Таким образом, ГСТ реализует функции источника стабильного тока и динамической нагрузки. Применение ГСТ позволяет избежать трудностей изготовления в ИС резисторов с большим сопротивлением и значительно снизить потери мощности. Различные варианты схем ГСТ широко используются в аналоговых и цифровых ИС.