Генераторы стабильного тока

Рассмотренные в предыдущих разделах автоматические способы стабилизации режима в аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) не желательны, так как они требуют применение высокоомных резисторов, занимающих большую площадь, и конденсаторов большой емкости, которые не возможно реализовать в интегральном исполнении. Поэтому в аналоговых ИМС для задания режима и его стабилизации используется параметрический метод.

Наиболее распространенными функциональными элементами, служащими для задания и стабилизации режима в аналоговых ИМС, являются генераторы стабильного тока (ГСТ). ГСТ должен обеспечивать стабильный ток, независящий от параметров цепи (температуры, изменения напряжения питания и нагрузки), т.е. в идеале он должен обладать бесконечно большим динамическим (по переменному току) выходным сопротивлением. Для реализации ГСТ в микросхемах обычно используют два и более транзисторов, параметры которых идентичны. На рис. 2.14, а приведена схема ГСТ, которая нашла большое применение в аналоговых ИМС.

Так как транзистор VT1 включен как диод, то напряжения база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 будут совпадать. Поскольку эти транзисторы – интегральные (имеющие и незначительный разброс параметров), то отношение их эмиттерных, а значит, и коллекторных токов будет равно отношению площадей их эмиттерных областей:

. (2.38)

Пренебрегая токами баз и вводя обозначение , получим . На практике k выбирают в диапазоне 1…5. Таким образом, ток следит за током и точно отображает любое его изменение. Поэтому данная схема получила название токовое зеркало.

Поскольку VT1 используются в диодном включении, то ток I₁ можно застабилизировать с требуемой точностью путем задания его с помощью внешних элементов: источника питания и резистора . Из схемы на рис. 2.14 следует, что

, так как .

При изменении температуры

, (2.39)

где .

Таким образом, подбирая нужное значение , можно обеспечить требуемую стабильность , значит и . Данная схема позволяет достичь температурной стабильности порядка 5 %.

Если транзисторы VT1 и VT2 имеют идентичную геометрию (т.е. k=1), то учет базовых токов и приводит к соотношению

=-(+) (2.40)

или

. (2.41)

Значит, даже при полной стабильности опорного тока , ток ГСТ будет меняться за счет изменения базовых токов.

Температурную стабильность ГСТ можно повысить, если вместо двух транзисторов использовать три (рис. 2.14, б).

В этой схеме ток базы VT2 вначале вычитается из опорного тока , а затем возвращается в базу опорного транзистора VT1, тем самым поддерживая на постоянном уровне токи и при изменениях базового тока. Напряжение база-эмиттер VT3 фиксирует смещение опорного транзистора VT1, который в свою очередь стабилизирует уровень тока VT2. Как показывает анализ схемы:

(2.42)

При и разбросе параметров не более 20% отличие от не превышает 0,5%. Кроме того, данная схема имеет более высокое выходное сопротивление, чем схема на рис. 2.14, а.

Недостатком схем с диодным смещением является ограниченность отношения площадей эмиттеров транзисторов (). Поэтому при k>5 желательно применять схему с резисторным смещением (рис. 2.13, в), в которой для фиксации токов используется отношение сопротивлений, а не площадей эмиттеров.

Пренебрегая током базы VT2, получим

(2.43)

или

. (2.44)

Из (2.44) следует

. (2.45)

Если , то

. (2.46)

Из (2.46) следует, что отношение токов можно варьировать в широких пределах (до двух порядков) независимо от температуры с ошибкой до 10%.

Схема имеет более высокое выходное сопротивление, чем схема на рис. 2.13, а, так как за счет резистора в транзисторе VT2 возникает ООС по току.

Если требуется получить низкое значение тока ГСТ при больших значениях опорного тока, то надо в схеме с резисторным смещением исключить резистор (=0). В этом случае и если геометрии VT1 и VT2 идентичны, то VT2 работает при более низком токе, чем VT1, т.е. <.