Источники эталонного напряжения и тока

2.9.1 Генераторы стабильного тока

При разработке усилительных устройств, особенно в интегральном исполнении, часто возникает необходимость использования источников стабильного тока или напряжения, свойства которых близки к свойствам идеальных источников постоянного тока и напряжения. Следует отметить, что создание устройств, являющихся идеальными источниками тока и напряжения, невозможно. Однако для некоторого ограниченного диапазона изменения параметров создание устройств, имитирующих такие источники, вполне возможно. При этом могут использоваться как биполярные, так и полевые транзисторы.

Источники стабильного тока (их часто называют генераторами стабильного тока – ГСТ) на основе транзисторов реализуются достаточно просто. Этому способствуют некоторые особенности свойств транзисторов.

Обратимся к выходным ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с общим эмиттером (рисунок 2.45, а). Из рисунка видно, что если биполярный транзистор работает в активном режиме, топри фиксированном значении тока базы (например, I_Б = I_Б0) его выходной токI_К мало зависит от напряжения между выводами эмиттера и коллектора U_КЭ. Изменение сопротивления нагрузки R_н транзистора (рисунок 2.45, б) может вызывать существенное изменение напряжения U_КЭ транзистора (DU_КЭ на рисунке 2.45, а) за счет изменения наклона нагрузочной линии, но при фиксированном токе базы ток коллектора транзистора будет изменяться незначительно (DI_К на рисунке 2.45, а).

а б

Рисунок 2.45 – Выходная ВАХ транзистора (а) и упрощенная схема

ГСТ на биполярном транзисторе (б)

Следовательно, изменение сопротивления нагрузки R_н в цепи коллектора транзистора (рисунок 2.45, б) не приводит к существенным изменениям тока коллектора, то есть можно полагать, что ток коллектора в этих условиях будет стабильным.

Таким образом, чтобы получить источник тока на биполярном транзисторе, достаточно обеспечить постоянство (стабильность) тока в цепи его базы. Поскольку ток базы при неизменной температуре и напряжении на коллекторе транзистора непосредственно зависит от напряжения U_БЭ (см. п. 1.4.3), то для поддержания неизменным значения тока базы, а, следовательно, и тока коллектора, достаточно обеспечить постоянство (стабильность) напряжения U_БЭ. С этой целью параллельно эмиттерному переходу транзистора достаточно включить элемент, напряжение на котором не зависит от изменения внешних условий. В простейшем случае в качестве такого элемента может быть использован резистивный делитель. Однако коэффициент передачи резистивного делителя практически не зависит от температуры и от напряжения, поэтому при нестабильном напряжении питания делителя напряжение на эмиттерном переходе транзистора будет изменяться, что приведет к нестабильности коллекторного тока.

Гораздо более качественная стабилизация коллекторного тока транзистора может быть получена при использовании р-п-переходов, включенных параллельно эмиттерному переходу транзистора и работающих на прямом или обратном участках ВАХ.

На рисунке 2.46, а приведена простейшая схема источника тока, в которой для стабилизации напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT использован диод VD,смещенный в прямом направлении. Ток диода задается резистором R_см.

а б

Рисунок 2.46 – Способы стабилизации тока базы биполярного транзистора

Рассмотренная схема, несмотря на ее простоту, обеспечивает достаточно хорошую стабилизацию коллекторного тока при изменении температуры в широких пределах. Это объясняется тем, что температурныеизменения напряжения эмиттерного перехода компенсируются соответствующими изменениями напряжения диода. Прямая ветвь ВАХ диода и входная ВАХ биполярного транзистора, если они выполнены из одного материала (например, кремния), идентичны. Повышение температуры обычно приводит к тому, что при неизменном прямом напряжении диода U_д и напряжении U_БЭ транзистора возрастает прямой ток диода I_{д пр} или, соответственно, ток базы I_Б0 транзистора. А поскольку ток I_см (в схеме на рисунке 2.46, а) представляет собой сумму двух токов I_{д пр} и I_Б0, то при повышении температуры возрастает падение напряжения на резисторе R_см и, следовательно, уменьшается прямое напряжение на диоде (или, что то же самое, напряжение U_БЭ транзистора), поддерживая тем самым неизменным ток базы, а, соответственно, и ток коллектора транзистора.

Для повышения коэффициента стабилизации выходного тока в рассмотренную схему можно ввести цепь ООС, как показано на рисунке 2.46, б. Однако введение эмиттерного резистора R_Э требует увеличения напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Это может быть решено включением в схему вместо диода стабилитрона на требуемое напряжение стабилизации (рисунок 2.46, б).

В практических схемах ГСТ, особенно при реализации аналоговых электронных устройств в интегральном исполнении, вместо диода параллельно эмиттерному переходу включают транзистор в диодном включении (рисунок 2.47). Такая схема обладает некоторыми преимуществами перед схемой, приведенной на рисунке 2.46, а. Они достигаются, в первую очередь, тем, что транзисторы VT1 и VT2 выбирают одного типа с одинаковыми параметрами.

Рисунок 2.47 – Схема ГСТ с улучшенными параметрами

Проанализируем работу схемы ГСТ, приведенной на рисунке 2.47. Поскольку транзистор VT1 используется в диодном включении, то напряжение U_КБ1 = 0. Следовательно этот транзистор работает на границе линейного режима и режима насыщения. При этом ток коллектора и ток базы транзистора VT1 связаны между собой соотношением: I_К1 = I_Б1h_21Э. Исходя из того, что параметры транзисторов идентичны, из очевидного условия U_БЭ1 = U_БЭ2 следует, что I_Б1 = I_Б2 и, следовательно, I_К1= I_К2 = I_н.

Ток смещения I_см может быть найден из выражения

. (2.103)

В современных транзисторах h_21Э >> 1, поэтому выражение (2.103) можно записать в следующем виде: I_см » I_К1 = I_н.

Анализ полученных выражений показывает:

- ток нагрузки I_н повторяет ток смещения I_см и практически равен ему. Поэтому такое соединение транзисторов в ГСТ получило название «токовое зеркало»;

- ток нагрузки практически не зависит от величины сопротивления нагрузки R_н (что видно из ВАХ, приведенной на рисунке 2.45, а). Изменять величину стабильного тока нагрузки I_н можно подбором сопротивления резистора R_см.

2.9.2 Источники стабильного напряжения

Источник стабильного напряжения может быть построен на основе ГСТ. Для этого достаточно выходной ток ГСТ пропустить через резистор со стабильным сопротивлением и снимать с него падение напряжения, которое также будет стабильным. На рисунке 2.48, а показана схема такого источника стабильного напряжения, в которой в качестве элемента со стабильным сопротивлением используется стабилитрон VD2 – элемент с малым дифференциальным сопротивлением. Стабилитрон VD1 включен в схему для выравнивания напряжений эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT2.

На рисунке 2.48, б приведена схема источника стабильного напряжения, обладающая более высокой стабильностью выходного напряжения благодаря тому, что в ней нагрузка подключается к источнику через эмиттерный повторитель, входное сопротивление которого существенно выше, чем дифференциальное сопротивление стабилитрона, а выходное – очень незначительное.

а б

Рисунок 2.48 – Схемы генераторов стабильного напряжения

Усилители мощности

Усилителями мощности обычно называют оконечные каскады усилителей. Основное назначение оконечных каскадов – окончательное усиление сигнала, поступающего в нагрузку, до требуемой мощности. Все предыдущие каскады по сравнению с оконечным являются маломощными.

Оконечный каскад определяет КПД всего усилителя, поскольку он потребляет от источника питания львиную долю его мощности. В реальных схемах многокаскадных усилителей на выходные каскады приходится потребление до 80% и более мощности источника питания. Поэтому при проектировании оконечных каскадов, прежде всего, необходимо добиваться эффективного использования энергии источника питания, то есть обеспечивать высокий КПД каскада. С учетом этого требования в мощных усилителях транзисторы оконечных каскадов могут работать только в режиме класса В или, при высоких требованиях к уровню нелинейных искажений, класса АВ.

В настоящее время в качестве усилителей мощности используют преимущественно двухтактные бестрансформаторные каскады с последовательным питанием транзисторов по постоянному току.

Двухтактнымназываетсякаскад, содержащий два транзистора(или две группы транзисторов), работающих на общую нагрузку и управляемых противофазными напряжениями.

Двухтактные бестрансформаторные каскады имеют небольшие габариты, что позволяет их реализовывать, в том числе, в интегральном исполнении. Кроме этого они характеризуются гораздо меньшими частотными и нелинейными искажениями по сравнению, например, с двухтактными трансформаторными каскадами, широко используемыми ранее.

Еще одним достоинством рассматриваемых каскадов является то, что в них при использовании двухполярного источника питания может быть осуществлена непосредственная связь с нагрузкой, то есть подключение нагрузки без громоздких разделительных конденсаторов.

Разработано несколько разновидностей двухтактных бестрансформаторных оконечных каскадов. На практике наиболее широкое применение нашли двухтактные каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом проводимости. Такие каскады называют каскадами с дополнительной симметрией. На рисунке 2.49 приведен пример двухтактного каскада с дополнительной симметрией.

Транзисторы в каждом плече схемы на рисунке 2.49 включены по схеме с ОК и работают в режиме класса АВ. Как известно, при таком включении транзистора каскад усиливает ток, но не усиливает напряжение, то есть усиление мощности достигается за счет усиления тока. Кроме этого каскад с ОК обладает низким выходным сопротивлением, что позволяет передавать усиленный сигнал в низкоомную нагрузку без значительных потерь мощности. Режим класса АВ достигается подачей небольшого начального смещения в базовые цепи транзисторов с помощью делителя напряжения на резисторах R1, R2, R3. Применение режима АВ позволяет снизить нелинейные искажения сигнала в каскаде.

Рисунок 2.49 – Двухтактный оконечный каскад

с дополнительной симметрией

На рисунке 2.50, а показано, за счет чего происходит уменьшение нелинейных искажений в двухтактном усилительном каскаде при работе в режиме АВ. При совмещении проходных характеристик транзисторов обеих плеч по напряжению и_БЭ точками А и А' видно, что характеристика разностного тока имеет вид прямой (штриховая линия на рисунке) и ступенек, имеющих место при работе транзисторов в режиме В (рисунок 2.50, б), не возникает.

а б

Рисунок 2.50 – Линеаризация проходной ВАХ в двухтактном каскаде

Проанализируем работу двухтактного усилительного каскада. При отсутствии входного сигнала (то есть в режиме покоя) в сопротивлении нагрузки R_н протекают небольшие токи I_Э1О » I_К1О и I_Э2О » I_К2О. Поскольку значения этих токов равны, а направления противоположны, то они взаимно вычитаются. Следовательно, напряжение на резисторе R_н при отсутствии входного сигнала равно нулю. Токи покоя транзисторов VT1 и VТ2 (соответственно I_К1О и I_К2О) задают с помощью напряжения смещения U_БЭО этих транзисторов, созданного падением напряжения на сопротивлении R2. Если параметры транзисторов VT1 и VТ2 идентичны, то потенциалы точек А и В (рисунок 2.49) относительно виртуального нуля (точки О) равны (±U_R2/2). В этом случае через транзисторы протекает одинаковый ток, а в сопротивлении нагрузки ток отсутствует.

Сопротивления резисторов R1, R2 и R3 находят по формулам:

, (2.104)

, (2.105)

, (2.106)

где I_д – ток делителя, выбираемый из условия .

На практике чаще всего вместо резистора R2 (рисунок 2.49) в схему включают полупроводниковые диоды (рисунок 2.51), которые обеспечивают требуемое падение напряжения при заданном токе делителя и, в то же время, имеют малое дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току). Замена R2 диодами повышает температурную стабильность каскада.

Рисунок 2.51 – Практическая схема двухтактного оконечного каскада

При подаче на вход каскада переменного сигнала транзисторы работают попеременно. В частности, при положительной полярности сигнала транзистор VТ2 открыт, а транзистор VT1 закрыт. При этом открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК, то есть как обычный эмиттерный повторитель. При этом ток i_Э2 создает на резисторе R_н падение напряжения, совпадающее по фазе и примерно равное по величине входному напряжению. При отрицательной полярности входного сигнала функции транзисторов VT1 и VT2 меняются местами. Таким образом, процесс усиления переменного сигнала можно разбить, как бы, на два такта. Отсюда и название каскада – двухтактный усилительный каскад.

Анализ и расчет каждого плеча не отличается от расчета эмиттерного повторителя. Поэтому все выражения, полученные для каскада с ОК, будут справедливы для каждого плеча рассматриваемого усилителя, взятого в отдельности.

Для получения одинакового входного сопротивления каскада в разные полупериоды входного сигнала и одинакового усиления мощности в каждом плече транзисторы двухтактного каскада необходимо подбирать с идентичными параметрами. Промышленностью выпускаются так называемые комплементарные пары транзисторов – то есть транзисторы со структурами р-п-р и п-р-п типа, имеющие одинаковые параметры (например, КТ315 и КТ361, КТ816 и КТ817 и др.).

Улучшение параметров и характеристик схем двухтактных бестрансформаторных каскадов возможно за счет различных схемотехнических решений. Например, двухтактный усилитель мощности на составных транзисторах (VT1, VT3 и VT2, VT4) со схемами термостабилизации и защиты от короткого замыкания представлен на рисунке 2.51.

В данной схеме термостабилизация осуществлена за счет введения в цепи базы транзисторов диодов VD1 и VD2, которые играют роль термозависимых сопротивлений. Для защиты выходных транзисторов от короткого замыкания в цепи нагрузки в эмиттерные цепи транзисторов включают небольшие ограничивающие сопротивления R₀, которые в случае короткого замыкания (при R_н = 0) выполняют роль нагрузки, что исключает превышение допустимых значений коллекторных токов транзисторов.