Генераторы стабильного тока

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:

. (2.1)

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

. (2.2)

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.

Рис. 2.4

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 = I₀ + 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_зиформируется 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}.

Рис. 2.7

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).

Рис. 2.8

Ток I_о в левой части схемы равен

. (2.5)

где U* – прямое напряжение, устанавливающееся на эмиттерном переходе транзистора VT1 под действием тока I₀ (напомним, что для кремниевых транзисторов U* = 0,6...0,8 В).

Ток базы второго транзистора значительно (в b раз) меньше тока I₀ 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 = I₀ (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.