Autogenerator pe un tranzistor cu alimentare de 1 V. Generatoare de microcurent stabile bazate pe tranzistoare bipolare de siliciu

Deși sursele de curent nu sunt la fel de cunoscute, ele nu sunt mai puțin utile și importante decât sursele de tensiune. Sursele de curent sunt un mijloc excelent de polarizare a tranzistorilor și sunt, de asemenea, indispensabile ca sarcini rezistive pentru etapele de amplificare cu câștig mare și ca surse de emitere pentru amplificatoarele diferențiale. Sursele de curent sunt necesare pentru funcționarea dispozitivelor precum integratoarele și generatoarele de tensiune din dinți de ferăstrău. În circuitele amplificatoare și stabilizatoare, acestea oferă o gamă largă de tensiuni. Și în sfârșit, sursele curent continuu necesare în unele domenii care nu sunt direct legate de electronică, de exemplu, electrochimie, electroforeză.

Conectarea unei rezistențe la o sursă de tensiune. Circuitul celei mai simple surse de curent este prezentat în Fig. 2.20. Cu condiția ca R n » R (cu alte cuvinte, U n » U), curentul rămâne aproape constant și este aproximativ egal cu I = U/R. Dacă sarcina este un condensator, atunci, cu condiția ca U cond » U, se încarcă la o rată aproape constantă determinată de porțiunea inițială a caracteristicii exponențiale a unui circuit RC dat.

Cea mai simplă sursă de curent rezistiv are dezavantaje semnificative. Pentru a obține o bună aproximare a sursei de curent, trebuie utilizate tensiuni mai mari și, în acest sens, mai multă putere este disipată în rezistor. În plus, curentul acestei surse este dificil de controlat într-o gamă largă folosind o tensiune generată în altă parte a circuitului.

Exercițiul 2.6. Să presupunem că avem nevoie de o sursă de curent care să ofere o precizie de 1% în intervalul de tensiune de sarcină de la 0 la +10 V. Ce sursă de tensiune ar trebui conectată în serie la rezistor?

Exercițiul 2.7. Să presupunem că în exercițiul anterior trebuie să primiți un curent de 10 mA de la o sursă. Câtă putere va fi disipată de rezistor? Câtă putere este transferată la sarcină?

Orez. 2.21. Sursa de curent tranzistor: idee de bază.

Câtă putere este transferată la sarcină? Sursa de curent tranzistor. Foarte sursa buna curentul poate fi construit pe baza unui tranzistor (Fig. 2.21). Funcționează astfel: o tensiune de bază U b > 0,6 V menține joncțiunea emițătorului în stare deschisă: U e = U b - 0,6 V. În acest sens, I e = U e /R e = (U e - 0,6/ R e. Deoarece pentru valori mari ale coeficientului h 21e I e ≈ I k, atunci I k ≅ (U b - 0,6 V)/R e indiferent de tensiunea U k până când tranzistorul trece în modul de saturație (U k. > U e + 0,2 V).

Mixarea în sursa curentă. Tensiunea de bază poate fi generată în mai multe moduri. Un rezultat bun se obține prin utilizarea unui divizor de tensiune dacă acesta oferă o tensiune destul de stabilă. Ca și în cazurile anterioare, rezistența divizorului ar trebui să fie semnificativ mai mică decât rezistența circuitului de pe partea de bază pentru curent continuu h 21e R e. De asemenea, puteți utiliza o diodă Zener și utilizați sursa de alimentare Ukk pentru polarizare sau puteți lua mai multe diode, polarizate direct și conectate în serie și să le conectați între bază și sursa de alimentare a emițătorului corespunzătoare. În fig. Figura 2.22 prezintă exemple de circuite de polarizare. În ultimul exemplu (Fig. 2.22.6) tranzistor pnp- tipul furnizează curent unei sarcini împământate (este o sursă de curent). Exemplele rămase (în care se folosesc tranzistoare n-p-n) ar fi mai corect numite „absorbitori” de curent, dar se obișnuiește să se numească toate circuitele de acest tip surse de curent. [Numele „chiuvetă” și „sursă” sunt legate de direcția curentului; dacă curentul curge în orice punct al circuitului, atunci aceasta este sursa și invers]. În primul circuit, rezistența divizorului de tensiune este de aproximativ 1,3 kOhm și este foarte mică în comparație cu rezistența de pe partea de bază, care este ≅100 kOhm (pentru h 21e = 100). Orice modificare a β din cauza unei modificări a tensiunii colectorului nu va afecta semnificativ curentul de ieșire, deoarece modificarea corespunzătoare a tensiunii de bază este foarte mică. În celelalte două modele, rezistențele din circuitul de polarizare sunt alese astfel încât curentul care curge să fie de câțiva miliamperi, ceea ce este suficient pentru a menține diodele deschise.

Domeniu de lucru. Sursa de curent furnizează curent continuu sarcinii numai până la o anumită tensiune finală pe sarcină. În caz contrar, sursa de curent ar fi capabilă să genereze putere infinită. Domeniul tensiunii de ieșire pe care sursa de curent se comportă conform așteptărilor se numește interval de funcționare. Pentru sursele de curent tranzistorului tocmai discutate, domeniul de funcționare este determinat din faptul că tranzistorul trebuie să fie în modul de funcționare activ. Deci, în primul circuit, tensiunea de pe colector poate fi scăzută până la atingerea modului de saturație, adică până la +12 V. Al doilea circuit, cu o tensiune mai mare pe emițător, păstrează proprietățile sursei doar până la valoarea tensiunii la colector, egală cu aproximativ + 5,2 V.

În toate cazurile, tensiunea colectorului poate varia de la tensiunea de saturație la tensiunea de alimentare. De exemplu, acest din urmă circuit funcționează ca sursă de curent într-un interval de tensiune de sarcină limitat la 0 și +8,6 V. Dacă sarcina utilizează baterii sau surse de alimentare proprii, tensiunea colectorului poate fi mai mare decât tensiunea de alimentare. Când utilizați o astfel de schemă, se recomandă să fiți cu ochii pe ea. astfel încât să nu aibă loc o defecțiune a tranzistorului (tensiunea U ke nu trebuie să depășească valoarea U keprob - tensiunea de defalcare a joncțiunii colector-emițător) și puterea în exces să nu fie disipată (determinată de valoarea produsului lui I). la U ke). În Sect. 6.07 vei vedea asta pentru tranzistoare puternice regiune munca sigura este determinată în mod specific.

Exercițiul 2.8. Circuitul are două surse de tensiune stabilizate: +5 și 15 V. Dezvoltați un circuit sursă de curent bazat pe un tranzistor n-p-n care ar furniza un curent de +5 mA. Utilizați o sursă de +5 V ca sursă de tensiune pentru bază Care este domeniul de funcționare într-un astfel de circuit?

Într-o sursă de curent, tensiunea de bază nu trebuie să fie fixată. Dacă prevedem posibilitatea modificării tensiunii U b, obținem o sursă de curent programabilă. Dacă curentul de ieșire trebuie să urmărească fără probleme modificările tensiunii de intrare, atunci oscilația semnalului de intrare uin (rețineți că litere mici am convenit să desemnăm schimbări) ar trebui să fie mic, astfel încât tensiunea emițătorului să nu scadă niciodată la zero. Într-o astfel de sursă de curent, modificarea curentului de ieșire va fi proporțională cu modificările tensiunii de intrare.

Dezavantajele surselor curente. Cât de mult diferă o sursă de curent cu tranzistor de una ideală? Cu alte cuvinte, se schimbă curentul din sarcină atunci când, să zicem, se schimbă tensiunea, adică sursa de curent are o rezistență echivalentă de valoare finită (R eq

1. Pentru un curent de colector dat, atât tensiunea U be cât și coeficientul h 21e (efect timpuriu) se modifică ușor odată cu modificarea tensiunii colector-emițător. O modificare a tensiunii U asociată cu o modificare a tensiunii pe sarcină determină o modificare a curentului de ieșire, deoarece tensiunea la emițător (și, prin urmare, curentul emițătorului) se modifică, chiar dacă tensiunea de bază este fixă. Modificarea valorii coeficientului h 21e duce la mici modificări ale curentului de ieșire (colector) la un curent de emițător fix, deoarece I k = I e - I b; in plus, tensiunea la baza se modifica usor din cauza posibila schimbare rezistența sursei de amestec datorită modificărilor coeficientului h 21e (și deci curentului de bază). Aceste modificări sunt minore. De exemplu, o modificare a curentului de ieșire pentru circuitul prezentat în Fig. 2.22, a, este de aproximativ 0,5% pentru un tranzistor de tip 2N3565. În special, atunci când tensiunea de sarcină se modifică de la 0 la 8 V, efectul timpuriu determină o modificare a curentului cu 0,5% și încălzirea tranzistorului cu 0,2%. Modificarea coeficientului aduce o contribuție suplimentară la modificarea curentului de ieșire - 0,05% (pentru un divizor rigid de tensiune). Toate aceste modificări au ca rezultat o sursă de curent care funcționează mai rău decât ideal: curentul de ieșire variază ușor în funcție de tensiune și, prin urmare, rezistența sa nu este infinită. În viitor, veți afla că există metode care pot depăși acest dezavantaj.

2. Tensiunea U be și coeficientul h 21 e depind de temperatură. În acest sens, atunci când temperatura se schimbă mediu inconjurator Are loc o deviere a curentului de ieșire. În plus, temperatura joncțiunii se modifică pe măsură ce tensiunea de sarcină se modifică (datorită modificărilor puterii disipate de tranzistor) și face ca sursa să funcționeze mai puțin decât în ​​mod ideal. Modificarea tensiunii și Ube în funcție de temperatura ambiantă poate fi compensată folosind circuitul prezentat în Fig. 2.23. În acest circuit, căderea de tensiune între bază și emițătorul tranzistorului T2 este compensată de căderea de tensiune pe joncțiunea emițătorului T1, care are aceleași caracteristici de temperatură. Rezistorul R3 joacă rolul unei sarcini pentru T1, necesară pentru a seta curentul de intrare al bazei tranzistorului T2.

Orez. 2.23. Una dintre metodele de compensare a temperaturii unei surse de curent.

Îmbunătățirea caracteristicilor sursei de curent.În general, modificarea tensiunii U re, cauzată atât de influența temperaturii (variația relativă este de aproximativ -2 mV/°C), cât și de dependența de tensiunea U re (efectul Early este estimat prin valoarea ΔU re ≈ - 0,001 ΔU re), poate fi minimizat, dacă setați tensiunea la emițător suficient de mare (prin macar 1 V), atunci o modificare a tensiunii U bem cu zecimi de milivolt nu va duce la o schimbare semnificativă a tensiunii pe rezistorul emițătorului (rețineți că circuitul menține o tensiune constantă la bază). De exemplu, dacă U e = 0,1 V (adică, la bază se aplică o tensiune de 0,7 V), atunci o modificare a tensiunii U e cu 10 mV determină o modificare a curentului de ieșire cu 10%, dacă U e = 1,0 V, atunci aceeași modificare a Ube determină o modificare a curentului cu 1%. Cu toate acestea, nu mergeți prea departe. Să ne amintim că limita inferioară a domeniului de funcționare este determinată de tensiunea la emițător. Dacă într-o sursă de curent care funcționează de la o sursă de alimentare de +10 V, tensiunea emițătorului este setată la +5 V, atunci domeniul de ieșire va fi puțin mai mic de 5 V (tensiunea colectorului poate varia de la U e + 0,2 V la U kk , t , adică de la 5,2 la 10 V).

Orez. 2.24. Sursă de curent cascodă cu rezistență crescută la modificările tensiunii de sarcină.

În fig. Figura 2.24 prezintă un circuit care îmbunătățește semnificativ caracteristicile sursei de curent. Sursa de curent T 1 funcționează ca înainte, dar tensiunea la colector este fixată de emițătorul T 2. Curentul care curge în sarcină este același ca înainte, deoarece curenții colectorului (pentru T 2) și emițătorului sunt aproximativ egali unul cu celălalt (datorită de mare importanta h 21e). În acest circuit, tensiunea U ke (dând T 1) nu depinde de tensiunea la sarcină, ceea ce înseamnă că modificările tensiunii U ke cauzate de efectul timpuriu și temperatură sunt eliminate. Pentru tranzistoarele de tip 2N3565, acest circuit dă o modificare a curentului de 0,1% atunci când tensiunea de sarcină se modifică de la 0 la 8 V; Pentru ca circuitul să ofere precizia specificată, trebuie utilizate rezistențe stabile cu o toleranță de 1%. (Apropo, acest circuit este folosit în amplificatoarele de înaltă frecvență, unde este cunoscut ca „cascode”). În cele ce urmează, vă veți familiariza cu circuitele sursei de curent care utilizează amplificatoare operaționale și Părere, și în care se rezolvă și problema eliminării influenței modificărilor Ue asupra curentului de ieșire.

Influența coeficientului h 21e poate fi slăbită dacă alegeți un tranzistor cu o valoare mare de h 21e, atunci curentul de bază va avea o contribuție mică la curentul emițătorului.

Orez. 2.25. Sursa de curent tranzistorului folosind tensiunea U ca referință.

Figura 2.25 prezintă o altă sursă de curent în care curentul de ieșire este independent de tensiunea de alimentare. În acest circuit, tensiunea U a tranzistorului T 1, care se încadrează peste rezistorul R 1, determină curentul de ieșire indiferent de tensiunea U kk

U out = U fi / R2U 2.

Folosind rezistorul R1, polarizarea tranzistorului T2 și potențialul colectorului T1 sunt setate, iar acest potențial este mai mic decât tensiunea U kk de două ori căderea de tensiune pe tranziție; reducând astfel influența efectului Early. Nu există compensare de temperatură în acest circuit; tensiunea pe R 2 scade cu aproximativ 2,1 mV/°C și determină o modificare corespunzătoare a curentului de ieșire de 0,3%/°C).

Departamentul Sisteme de Telecomunicații

„Generatoare de curent și tensiune stabile”

MINSK, 2008

Generatoare de curent stabile

Pentru a polariza și a stabiliza modurile IC, generatoarele de curent stabil (SCT) sunt utilizate pe scară largă: pentru a stabiliza modurile și ca sarcină activă a etapelor de amplificare; ca emițători IP ai amplificatoarelor diferențiale T; în integratoare, generatoare de tensiune din dinți de ferăstrău etc. Prin GST înțelegem o rețea cu două terminale, curentul prin care este practic independent de tensiunea aplicată. Dacă aplicați cantitatea de constantă unei astfel de rețele cu două terminale

Și Tensiune AC, atunci rezistența sa la componenta alternativă va fi mare. Rezistența pentru componenta DC este de obicei necesară să fie mică. Cei mai importanți parametri GST este rezistența de ieșire (în mod ideal), curentul continuu de ieșire și domeniul de funcționare - intervalul de tensiune de ieșire în care GST își păstrează proprietățile.

Cel mai simplu GST (Fig. 1, a) furnizează curent

, unde , este tensiunea bază-emițător și coeficientul de transfer de curent T. Pentru a determina parametrul, reamintim că rezistența de ieșire a cascadei cu OE (fără a lua în considerare sarcina) este , (1) este echivalentul (luând în considerare luați în considerare divizorul de polarizare) rezistența generatorului; – rezistența totală (inclusiv rezistența diferențială) în circuitul emițătorului.

În raport cu GTS în cauză, expresia (1) se transformă în

. La curenți scăzuti valoarea este de zeci și sute de kilo-ohmi. Domeniul de funcționare corespunde unei modificări a tensiunii la colector variind de la inainte de . Principalele dezavantaje ale acestui GTS sunt: ​​impedanța de ieșire relativ scăzută; temperatura scăzută și stabilitatea de funcționare (când se modifică tensiunea de alimentare) a curentului de ieșire.

Pentru a îmbunătăți stabilitatea utilizând rezistențe suplimentare

şi se introduce stabilizarea emiţătorului GST (vezi Fig. 1, a), la care curentul . Acesta, după cum rezultă din relația (1), crește rezistența GTS, dar își reduce domeniul de funcționare prin căderea de tensiune. O creștere suplimentară a stabilității temperaturii este realizată prin conectarea D în serie cu rezistența. Dacă caracteristicile lui D sunt în concordanță cu T similar, atunci aceasta neutralizează schimbarea curentului sub influența creșterii temperaturii. Coordonarea caracteristicilor este asigurată de conexiunea diodei T. Tensiunea necesară poate fi furnizată și la baza lui T GST folosind o diodă zener (în loc de rezistență) sau mai multe diode. Uneori, GST-urile, în care curentul curge din sarcină, sunt numite „puituri” de curent, iar cele cu curent de intrare sunt numite surse (vezi Fig. 1, a, b).

Implementarea GTS pe PT poate fi mai simplă: fără o sursă de părtinire separată, de ex. conform unei scheme de conectare cu doi poli. Astfel de GST sunt efectuate pe un PT cu o tranziție de control și un PT cu poarta izolatași canal încorporat (Fig. 1, c, d). Impedanța lor de ieșire este

, Unde , - rezistență internă iar panta PT-ului.

Un dezavantaj semnificativ al GST-urilor luate în considerare este rezistența de ieșire relativ scăzută. Pentru a-l crește, se folosesc GST-uri cu două tranzistoare (Fig. 1, e – g). În generatorul de pe BPT rezistența este

și se ridică la sute (mii) kilo-ohmi, în GTS pe PT este determinat de relația ((), () - rezistența internă și transconductanța tranzistorului VT1 (VT2)) și ajunge la unități (zeci) megaohmi. Pentru a crește curentul, poarta PT VT1 poate fi conectată nu la corp, ci la sursa PT VT2, ceea ce reduce tensiunea de polarizare a VT VT1 și crește curentul acestuia. Dar rezistența de ieșire a GTS se dovedește a fi mai mică.

Tensiunea de bază (poartă) T a GST-ului dat este fixă. Dacă prevedem posibilitatea de a-l schimba, vom obține un GTS programabil. Dacă această tensiune se modifică conform legii semnalului, curentul

îl monitorizează, ceea ce corespunde unui generator de curent controlat.

Este ușor să treceți de la un GST cu o polarizare bazată pe o pereche T potrivită la așa-numita oglindă de curent (CMC), care este utilizată pe scară largă în proiectarea circuitelor circuitelor integrate analogice. TZ (reflector de curent) este o unitate funcțională în care curenții a două ramuri care converg într-un punct sunt egali, iar intrarea

controlează ieșirea (Fig. 2, a). În cazul în cauză, punctul comun este împământarea. Ramura de ieșire este conectată la sarcină și alimentată cu tensiune de alimentare. Impedanța de intrare a TZ este mică, impedanța de ieșire este mare (în limita). Prin urmare, curentul nu depinde de tensiunea din punctul 2, ci este determinat de curent. Coeficientul de transmisie este parametrul principal al specificațiilor tehnice. În general, TK poate fi considerat ca caz special generator de curent controlat. Coeficientul său nu este neapărat egal cu 1.

Cel mai adesea, TC-urile sunt utilizate ca GTS și sarcini dinamice T ale unei cascade diferențiale, oferind o tranziție de la o ieșire simetrică la una asimetrică de înaltă impedanță. Să luăm în considerare ultima aplicație (Fig. 2, b).

ÎN stare originala tranzistoarele VT1 și VT2 au curenți de colector egali

. Când o anumită tensiune este furnizată la intrarea diferențială, prima dintre ele, de exemplu, crește la o valoare, iar a doua () scade la o valoare. Curentul este repetat de TZ, astfel încât curentul de ieșire al cascadei este egal cu suma componentelor utile ale ambelor T. Dacă bazele tranzistoarelor VT1 și VT2 primesc o creștere a tensiunii în fază (față de carcasă), atunci curentul de ieșire va fi egal cu zeroși (este coeficientul de atenuare a tensiunii în modul comun (interferență în modul comun), care arată de câte ori coeficientul de transmisie al tensiunii de intrare în modul comun este mai mic decât tensiunea diferențială). Prin urmare, în practică, interferența în modul comun nu este complet suprimată.

Cea mai simplă schemă (de bază) a specificațiilor tehnice este prezentată în Fig. 3, a. Se presupune că tranzistoarele VT1 și VT2 sunt la fel. Curentul de intrare

se introduce prin rezistenţă suplimentară. Evident, în schemă , , , , iar rezistența de ieșire (ținând cont de formula (1)) este egală cu . Pentru a reduce diferența de curenți de ramificație, care crește valoarea parametrului, se introduce un tampon T VT3 în TZ (Fig. 3, b), care reduce diferența de curent cu un factor. De aceea . Impedanța de ieșire este aceeași ca în circuitul anterior. Curentul de colector VT3 este mult mai mic decât curenții T VT1 și VT2, motiv pentru care coeficientul are o valoare scăzută. Pentru a crește curentul, uneori este inclusă o rezistență purtătoare de curent.

TZ-urile luate în considerare au o impedanță de ieșire relativ scăzută. Ca urmare, curentul

depinde de tensiunea de ieșire, care poate fi semnificativă cu o sarcină de mare rezistență. Aceasta implică un dezechilibru suplimentar al umerilor, adică. reduce coeficientul. Pentru a crește rezistența, se folosește un TZ cu o tensiune de urmărire a celui de-al doilea T, numit Wilson TZ (Fig. 3, c). În acesta, emițătorul T VT3 repetă tensiunea pe colectorul T VT1, prin urmare tensiunile colectorului T VT1 și VT2 sunt aproape aceleași și nu depind de ieșire. Coeficientul are aceeași semnificație ca în schema principală a specificațiilor tehnice. Rezistența de ieșire este semnificativ mai mare (de ordinul mărimii), datorită căruia circuitul nu este dezechilibrat de tensiunea de ieșire și funcționează cu o sarcină de rezistență mai mare. O creștere suplimentară a rezistenței poate fi obținută prin includerea rezistențelor selectate de ordinul a 1 kOhm în emițătorii T VT1 și VT2. Cele de mai sus sunt valabile și pentru alte specificații tehnice.

Dacă în TZ (vezi Fig. 3, a) la colectorul T VT1, pe lângă T VT2, mai conectăm mai multe T-uri cu sarcinile lor, vom obține un circuit cu mai multe ieșiri. În acest caz, este posibilă o situație când una dintre ieșirile Ts intră în modul de saturație, de exemplu, când sarcina sa este oprită. Apoi baza T va selecta din linia comună curent crescut, care va reduce curenții de ieșire ai altor T-uri Pentru a elimina acest lucru, se introduce un tampon T, similar cu T VT3 din Fig. 3, b.

Pentru a construi un TZ care reflectă dublu (jumătate) curent de intrare, este necesar să conectați un alt T în paralel cu T VT2 (VT1) în circuit (vezi Fig. 3, a În TZ pe coeficientul IC).

adesea stabilite prin alegerea dimensiunilor (ariilor) joncțiunilor emițătorului. Texas Instruments produce TC-uri monolitice cu coeficienți de transmisie de 1,0, 0,5, 0,25 și 2,0 și un interval de funcționare de la 1,2 la 40 V. Într-un mod posibil implementarea unei sarcini tehnice cu curenți multipli este includerea unei rezistențe suplimentare în circuitul emițător al ieșirii (intrarii) T.

Generatoare stabile de tensiune

În proiectarea circuitelor circuitelor integrate analogice, generatoarele de tensiune stabile (SVG) sunt utilizate pe scară largă - rețele cu două terminale, căderea de tensiune peste care depinde slab de curentul care curge. Cel mai simplu căutător este o diodă prin care curge curent (de la GTS sau printr-o rezistență de la sursa de alimentare). Dioda este de obicei o joncțiune T emițător polarizat direct, care stabilizează tensiunea la aproximativ 0,65 V. Pentru a crește tensiunea

se utilizează stabilizarea conexiune serială doi T într-o conexiune de diodă sau diagrama din Fig. 4, a. În ea (, - tensiune de bază - emițător T). Uneori, pentru a crește curentul T VT1, se introduce suplimentar o rezistență de șunt de câțiva kilo-ohmi, care îi reduce rezistența diferențială. O creștere suplimentară se realizează prin circuite de trei (patru) T. Coeficientul de temperatură al tensiunii stabilizate prin conectarea directă a diodelor este negativ.

Orez. 4. Circuite GOS pe tranzistoare

Pentru a obține valori mici

folosit des conexiune paralelă divizor și T VT (Fig. 4, b). Aici tensiunea și, prin urmare, curentul prin rezistență sunt stabile. O creștere a tensiunii externe este aplicată rezistenței și modifică curentul de bază, care afectează curentul colectorului. Tensiunea de stabilizare (neglijăm curentul de bază) este . Variind valorile lui și , puteți ajusta valoarea lui . Evident, în circuit, unde () este incrementul curentului (tensiunii) căuttorului; – abruptul celui din urmă. Prin urmare, rezistența de ieșire a căutătorului luat în considerare este egală cu aproximativ 50...200 ohmi.

În loc de diode, diodele zener sunt adesea folosite la căutători. Ei au următoarele dezavantaje: set finit de valori

și o toleranță mare pentru ele (cu excepția diodelor zener de precizie scumpe); nivel ridicat de zgomot; rezistență diferențială suficient de mare; dependența tensiunii de temperatură (de exemplu, o diodă zener cu = 27 V din seria 1N5221 fabricată în SUA are un coeficient = 0,1%/grad).

Cercetare de la Motorola, Inc. S-a stabilit că în vecinătatea punctului

= 6 V Diodele zener au o rezistență diferențială semnificativ mai mică decât la alte tensiuni și un coeficient aproape nul, care depinde de curentul de funcționare (Fig. 5). Acest lucru se datorează celor două mecanisme de defalcare utilizate în diodele zener: Zener (tunel) la joasă tensiune și avalanșă la înaltă tensiune. Luând în considerare modelele notate, așa-numitele elemente suport compensate sunt utilizate sub forma unei conexiuni în serie a unei diode zener cu o tensiune de 5,6 V și a unei diode polarizate direct. Alegând mărimea și curentul de funcționare, puteți compensa negativul coeficient de temperatură diodă egală cu –2,1 mV/grad. Această abordare este utilizată în cele produse de Motorola, Inc. elemente suport ieftine cu tensiune = 6,2 V, având un coeficient de la 10 -4%/grad (1N821) la 5 × 10 -6 %/grad (1N829). Valorile indicate sunt valabile la curent = 7,5 mA. Mai mult, în cazul diodei zener 1N829, o creștere a curentului de 1 mA modifică tensiunea de trei ori mai mult decât o schimbare de temperatură de la –55 la +100 o C.

Având un element suport VD compensat cu tensiune fixă

= 6,2 V, poate fi construit folosind un amplificator operațional tampon DA1 GOS pentru orice tensiune necesară (Fig. 6, a). Elementul de referință, reprezentând o conexiune în serie a unei diode zener și a unei diode, este pornit în orice polaritate. Curentul de funcționare necesar = 7,5 mA este stabilit de rezistență, a cărei valoare, de exemplu, la = 10 V este de 510 ohmi (în acest caz = 3,83 kOhm și = 6,19 kOhm). Conform schemei luate în considerare, sunt construite așa-numitele circuite integrate cu diode zener, oferind = 30 × 10 –6% / grad. Ei, ca și analogii lor discreti, au dezavantaj semnificativ: avea nivel inalt zgomot, care este mai puternic la diodele zener cu avalanșă (> 6 V). Pentru a reduce zgomotul, se folosește o structură de diodă Zener cu un așa-numit strat îngropat sau sub suprafață.

ÎN În ultima vremeÎn GOS, așa-numitele diode zener cu tensiune bandgap, care ar fi numite mai precis

Generatoarele de curent stabil (SCT) trebuie să furnizeze un curent de ieșire constant atunci când sarcina R n se modifică .

În cel mai simplu caz, această problemă poate fi rezolvată folosind un rezistor de setare a curentului R (Fig. 2.4). În această schemă sarcina reala prezentat în mod convențional ca un rezistor R n . Curent de sarcină în:

Dacă R >> R n, atunci curentul I n depinde slab de modificările rezistenței la sarcină. Într-adevăr, diferențiind (2.1) obținem

Prin urmare, prin creșterea R, este posibil să se reducă modificările curentului de sarcină la valoarea necesară. Cu toate acestea, diagrama din fig. 2.4 are un dezavantaj inerent - cea mai mare parte a puterii furnizate de la sursa de alimentare este alocată în rezistorul R și nu este alimentată la sarcina R n.

Este mult mai convenabil, în locul unui rezistor R, să folosiți elemente neliniare care au o rezistență scăzută la curent continuu R0 = U / i și o rezistență diferențială mare R i = DU / DI, de exemplu, tranzistoare.

În fig. 2.5, A prezintă o diagramă a celui mai simplu GST pe un tranzistor bipolar și circuitul său echivalent (Fig. 2.5, b). Circuitul de ieșire al tranzistorului (decalajul emițător-colector), care are o caracteristică curent-tensiune de tipul necesar (Fig. 2.6), este utilizat ca element de stabilizare.

Orez. 2.5 Fig. 2.6

Punctul de funcționare (curent I n) este determinat de intersecția caracteristicii și a liniei de sarcină (punctul A). Când Rn se modifică, punctul de operare se deplasează de-a lungul caracteristicii. De exemplu, când rezistența de sarcină scade cu cantitatea DR n, punctul de funcționare se va muta în punctul B, ceea ce va duce la o creștere a curentului de sarcină cu (Fig. 2.6). Cu cât rezistența diferențială de ieșire a tranzistorului R i este mai mare = Du / Di (cu cât caracteristica este mai orizontală), cu atât este mai mică modificarea curentului de sarcină I n.

Deoarece în secțiunea de stabilizare (regiunea plată) caracteristica tranzistorului este aproximată prin expresie

i k = I 0 + u ke / R i , (2.3)

ușor de obținut

DI n / I n = DR n / R i . (2,4)

Astfel, într-un stabilizator cu tranzistor, stabilizarea curentului este determinată de valoarea lui R i (echivalent cu R din fig. 2.4), care poate ajunge la zeci și sute de kilo-ohmi.

Mărimea curentului de sarcină I n poate fi setată prin schimbarea modului de funcționare al tranzistorului pentru curent continuu folosind rezistențele R b1 și R b2. Adesea, un rezistor Re este inclus în circuitul emițătorului tranzistorului, ceea ce îmbunătățește stabilitatea și crește rezistența Ri.

În fig. 2.7 arată o schemă GTS comună tranzistor cu efect de câmp cu o tranziție de control. Este convenabil prin faptul că este o rețea cu două terminale și tensiunea Uzi se formează datorită deplasării automate a lui Uzi = i cu R și. În cazul particular, cu R u = 0 și u zi = 0, I n = I C max.

Stabilizatoarele de curent numite oglinzi de curent sau reflectoare de curent sunt utilizate pe scară largă în circuitele integrate analogice. Schema Fig. 2.8 diferă de diagrama din fig. 2.5 prin setarea modului tranzistorului VT2. În locul unui divizor de tensiune R b1 - R b2, folosește un divizor neliniar format din rezistența R0 și tranzistorul VT1, conectate în modul diodă (în direcția înainte).

Curentul I® din partea stângă a circuitului este egal cu

. (2.5)

unde U* este tensiunea directă stabilită la joncțiunea emițătorului tranzistorului VT1 sub influența curentului I 0 (rețineți că pentru tranzistoare de siliciu U* = 0,6...0,8 V).

Curentul de bază al celui de-al doilea tranzistor este semnificativ (de b ori) mai mic decât curentul I 0 și poate să nu fie luat în considerare.

În același timp, tensiunea U* este furnizată la baza tranzistorului VT2. Ambele tranzistoare funcționează în modul activ și, dacă sunt la fel, atunci I n = I 0 (faptul că pentru VT1 U kb = 0, iar pentru VT2 U kb > 0 în modul activ are puțin efect), iar acest lucru egalitatea nu este încălcată la diferite influențe destabilizatoare. Rețineți că „oglinzile de curent” sunt deosebit de eficiente în versiunile microelectronice, care asigură parametri identici ai tranzistorului, dependențe identice de temperatură, „îmbătrânire” identică etc. Există, de asemenea, circuite în care „reflexia curentului” are loc cu o schimbare de scară. În acest scop, rezistențele R E1 ≠R E1 sunt incluse în circuitele emițătorului.

Un generator de tranzistori este un autogenerator de oscilații electromagnetice.

Sistemele electromagnetice auto-oscilante, conform legilor care le descriu, sunt similare sistemelor mecanice auto-oscilante. Un sistem auto-oscilant este înțeles ca un sistem în care, în absența unei influențe periodice externe, apar și există pentru o perioadă de timp arbitrar de lungă oscilații periodice.

Este rațional să începem studiul temei prin trecerea în revistă a sistemelor mecanice auto-oscilante, deoarece baza fizica autooscilațiile mecanice și electromagnetice sunt aceleași.

Un exemplu de sistem mecanic auto-oscilant este un ceas cu pendul, al cărui model este prezentat în Figura 1a. În 1657, fizicianul olandez Christiaan Huygens a propus utilizarea izocronismului pendulului pentru a crea o mișcare uniformă a mâinii pe un ceas. Dispozitivul propus de Huygens s-a păstrat în principalele sale caracteristici până astăzi: un pendul, o greutate ridicată, o ancoră și o roată de rulare (Figura 1b). Atragem atenția elevilor asupra faptului că pendulul se mișcă în general liber, primind două șocuri pe perioadă. Oscilațiile apar și sunt susținute de sistemul oscilator însuși, adică sunt auto-oscilații.

Poza 1

Analizând funcționarea acestui mecanism, identificăm principalele elemente caracteristice multor sisteme auto-oscilante și le combinăm într-o diagramă bloc (Figura 2)

Figura 2

Folosind metoda analogiilor, trecem de la un sistem mecanic auto-oscilant la un sistem electromagnetic auto-oscilant. Analizăm ce poate fi folosit ca sursă de energie, supapă, sistem oscilator în circuit electricși cum poate fi implementat feedback-ul între supapă și sistemul oscilant. În același timp, completați Tabelul 1 pe tablă și în caiete.

Tabelul 1.

	Elemente ale unui sistem auto-oscilant	Sistem mecanic auto-oscilant (ceas cu pendul)	Electromagnetic sistem auto-oscilant (generator de tranzistori)
	sursa de energie	sarcină ridicată	baterie cu celule galvanice
			tranzistor
	sistem oscilator		circuit oscilator
	Părere	prin roata de rulare	inductiv - prin bobine

Reamintim denumirile părților componente ale auto-oscilatorului (Figura 3 a) și desenăm diagrama acestuia (Figura 3 b)

Figura 3

Folosind această diagramă, explicăm principiul de funcționare al unui generator de tranzistori, subliniind încă o dată că acesta este un sistem auto-oscilant. Când o sursă de curent continuu este conectată, un curent trece prin circuitul colector al tranzistorului, încărcând condensatorul circuit oscilator. În circuit vor apărea oscilații electromagnetice libere. Deoarece bobina circuitului oscilant este cuplată inductiv la bobina de reacție, câmpul său magnetic în schimbare va provoca o EMF alternativă în bobina de reacție de aceeași frecvență ca și oscilațiile din circuit. Acest EMF, atunci când este aplicat la secțiunea bază-emițător, va provoca o ondulație de curent în circuitul colectorului. Deoarece frecvența acestor pulsații este egală cu frecvența oscilațiilor electromagnetice din circuit, ele reîncarcă condensatorul circuitului și mențin astfel o amplitudine constantă a oscilațiilor în circuit.

Prin asamblarea instalației prezentate în Figura 4b, este posibil să se demonstreze că oscilațiile electromagnetice sinusoidale au apărut în auto-oscilator fără influență externă. Astfel, în auto-oscilator, energia unei surse de curent continuu este convertită în energia oscilațiilor electromagnetice.

Deoarece există vibrații libere în circuit, pentru ele circuitul reprezintă doar rezistență activă, și prin urmare tensiunea în secțiunea emițător-colector și în secțiunea bază-emițător trebuie să fie deplasată cu 180°. Pentru a demonstra acest lucru studenților, trebuie să schimbați firele care merg la bobina de feedback. În acest caz, oscilațiile nu vor avea loc în generator.

A doua condiție pentru funcționarea generatorului este următoarea: Energia care intră în circuit din circuitul colector trebuie să compenseze complet transformările ireversibile de energie din acesta. Această condiție este asigurată de feedback. Pentru a convinge studenții de acest lucru, trebuie să ridicați și să îndepărtați încet bobina de feedback din bobina circuitului. Pe ecranul osciloscopului puteți vedea cum amplitudinea oscilațiilor din circuit scade treptat și în final oscilațiile dispar.

Figura 4

Pe baza experimentelor efectuate, formulăm concluzia că feedback-ul în generatorul de auto-oscilație trebuie să îndeplinească două condiții:

a) energia de la sursa trebuie sa curga in timp cu oscilatiile din circuit;

b) energia furnizată de la sursă trebuie să fie egală cu pierderile acesteia în circuit.

Finalizăm studiul temei luând în considerare problema utilizării sistemelor electromagnetice auto-oscilante

Metoda analogiilor la studierea acestui subiect permite nu numai să înțelegem mai bine esența problemei, ci și să subliniem unitatea legilor fizice ale vibrațiilor mecanice și electromagnetice.

A. Mironov

Generatoarele de curent stabile (SCT) sunt utilizate în prezent pe scară largă în proiectarea surselor de curent și tensiune stabilizate, de înaltă rezistență. sarcini active etc.Cele mai răspândite sunt schemele GTS prezentate în Fig. 1 (a, b).

Orez. 1. Scheme de GTS comune

Dispozitivul, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 1, a, este o rețea cu două terminale stabilizatoare de curent capabilă să genereze un curent stabilizat într-o gamă largă. Curentul necesar este stabilit de un rezistor din circuitul sursă. Circuitul este simplu, fiabil și are un număr minim de elemente, cu toate acestea, curentul este stabilizat la o tensiune relativ mare pe o rețea cu două terminale (să numim această tensiune de limită - Ugr). Deci, de exemplu, pentru curenți în intervalul 0,05...1 mA, tensiunea Ugr este 0,8...2 V.

GTS, prezentată în diagrama din Fig. 1, b, conține cantitate mare piese, cu toate acestea, oferă valori mai mici de tensiune Ugr. Deci, de exemplu, dacă selectați o diodă de siliciu ca element VD1 (atunci este pornit în direcția înainte) și ca VT1 - tranzistor cu germaniu, atunci generarea curentului începe deja la o tensiune Ugr = 0,4...0,6 V (aici Ugr se referă la tensiunea dintre colectorul VT1 și firul comun). Tensiunea Ugr poate fi redusă cu 100...150 mV prin înlocuirea diodei cu siliciu cu două diode cu germaniu conectate în serie. Curentul este reglat de rezistența R2. Spre deosebire de schema anterioară, aici curentul GTS poate fi calculat cu o eroare nu mai mare de ±20%.

Puteți obține tensiuni mai mici Ugr prin stabilizarea directă a tensiunii Ube a tranzistorului VT1 (vezi Fig. 1, b) și eliminând rezistorul R2. Cu toate acestea, pentru a implementa acest lucru, sunt necesare dispozitive semiconductoare cu caracteristici foarte asemănătoare ale joncțiunilor p-n, în special, pot fi utilizate perechi de tranzistori diferențiale. GTS prezentat în fig. 2, constă din următoarele elemente; GTS auxiliar G1, sursă de tensiune de referință pe tranzistorul VT1.1 și GTS pe tranzistorul VT1.2. GTS-ul auxiliar poate fi asamblat conform oricăreia dintre schemele cunoscute.

Orez. 2. GTS de joasă tensiune

Tranzistorul VT1.1, care funcționează în conexiune cu diodă, este în modul activ normal, prin urmare următoarea expresie este valabilă pentru curentul colectorului:

Curentul GST va repeta curentul generatorului de curent G1 cu o precizie acceptabilă și, prin urmare, un astfel de circuit este numit „oglindă de curent”.

Pentru a determina tensiunea Ugp, caracteristicile de ieșire ale GTS Igst = f(Uke2) au fost luate în domeniul curenților generatorului G1 I1= 0,05... 1 mA. Secțiunile inițiale ale acestor caracteristici sunt prezentate în Fig. 3.

Orez. 3. Caracteristici de stabilizare a curentului GTS de joasă tensiune

Pe baza rezultatelor măsurătorilor, a fost construită dependența Ugr = f (Igst) (curba 1). Această dependență a fost obținută prin conectarea punctelor de pe curbele Igst = f(Uke2), în care curentul Igst intră în zona de cinci procente din valoarea sa staționară (aici prin stare staționară înțelegem valoarea puterii curentului Igst la Uke >> Ugr în acest caz Iset = Igst la Uke2 = 2 IN). După cum se poate observa din grafic, atunci când curentul Igst se schimbă de la 0,05 mA la 1 mA, tensiunea Ugr crește de la 135 la 240 mV. O astfel de valoare scăzută a tensiunii Ugr face posibilă, de exemplu, utilizarea GTS-ului considerat în circuite cu o tensiune de alimentare de până la 1 V și obținerea la ieșirea etajului amplificatorului o variație dublă a tensiunii de ieșire, aproape egală cu tensiunea de alimentare. a circuitului.

Rezistența echivalentă de ieșire a GTS pe secțiunea orizontală a caracteristicii Igst = f(Uke2) la dreapta tensiunii Ugr pentru perechea diferențială specificată poate fi calculată aproximativ folosind formula

Unde Ucdv este potențialul de deplasare - punctul de pe axa tensiunii Uke în care se intersectează continuările secțiunilor orizontale ale caracteristicilor de ieșire ale tranzistorului. Pentru perechea diferenţială specificată Ucdv = -(50... 70) V. Deci, de exemplu, cu Igst = 100 μA Rgst = 600 kOhm.

Rezistența de ieșire a GTS poate fi mărită prin includerea rezistențelor Rl, R2 în circuitele emițătoare ale tranzistoarelor (sunt prezentate ca o linie punctată în Fig. 2). Dacă sunt disponibile astfel de rezistențe, rezistența de ieșire a GTS poate fi calculată folosind următoarea formulă:

(Vezi V.L. Shilo. Linear circuite integrateîn echipamente radio-electronice.- M.: Sov. radio, 1979). Deci, de exemplu, cu Igst = 1 mA și R1 = R2 = 56 Ohm, se obține Rgst = 190 kOhm. Este interesant că odată cu creșterea rezistenței acestor rezistențe la același curent Igst, tensiunea Ugr crește foarte ușor, iar în exemplul de mai sus nu s-a observat deloc creșterea valorii Ugr. Curba 2 din fig. 3 reprezintă caracteristica de iesire GST la Rl = R2 = 56 Ohm. După cum se poate observa din grafic, creșterea curentului GTS începe la tensiuni mai mari Uke2, totuși, acest proces are loc cu o pantă mai mare decât în ​​cazul în care R1 = R2 = 0. Prezența rezistențelor în circuitele emițătorului; efect general de stabilizare, indiferent de parametrii perturbatori nu se referă: tensiunea Uke2 sau temperatura ambiantă tamb. Pe măsură ce rezistența lor crește, cerințele pentru identitatea tranzistorilor scad. Când scăderea de tensiune pe rezistențele emițătorului este peste 100 mV, perechea diferențială poate fi înlocuită cu orice pereche de tranzistoare de siliciu, de exemplu KT315. Cu toate acestea, în acest caz, tensiunea Ugr va crește ușor.

Schimbând rezistența rezistențelor R1, R2, puteți regla curentul GTS într-o gamă largă. Deci, de exemplu, la I1 = 200 μA, R2 = 0, Uke2 = 2 V, curentul GST a variat în intervalul de la 200 μA la 3,8 mA când R1 s-a schimbat de la 0 la 470 Ohm.

GTS, construit conform diagramei din Fig. 2, are o stabilitate bună la temperatură. Acest lucru se explică prin parametrii identici ai tranzistorilor ansamblului. Tensiunea de referință UbeV1.1 și tensiunea UbeV1.2 derivă simultan la aceleași viteze și curent de colector tranzistorul VT1.2 rămâne practic neschimbat. De exemplu, atunci când temperatura ambientală a crescut de la 25 °C la 70 °C, curentul GST a deviat de la curentul I1 cu mai puțin de 2% la Rl = R2 = 0. Creșterea rezistenței rezistențelor R1, R2 îmbunătățește semnificativ temperatura stabilitatea curentului GST.

După cum sa menționat mai sus, pentru a construi GTS de joasă tensiune, este necesar un alt GTS - G1. Îl puteți construi cu oricare dintre metode cunoscute, inclusiv folosind diagramele din Fig. 1, a, b. De asemenea, puteți utiliza un stabilizator de tensiune parametric convențional, prezentat în Fig. 4.

Orez. 4. Circuit stabilizator parametric de tensiune

GST-urile pe tranzistoare au fost discutate mai sus n-p-n structuri. Cu toate acestea, toate diagramele, graficele și expresiile care determină parametrii GTS rămân valabile la înlocuirea tranzistoarelor cu cele pnp. Singura excepție este parametrul Ucdv, a cărui valoare pentru tranzistoare pnp ceva mai jos. De exemplu, pentru o pereche diferențială ansamblu tranzistor Valoarea tensiunii K198NT5A Usdv este 40...50 V.

În concluzie, despre schemele de circuite practice ale dispozitivelor care utilizează GTS de joasă tensiune. În fig. 5 este dat schema electrica cascadă diferențială cu sarcină dinamică pe GTS.

Orez. 5. Etapă amplificator cu GTS de joasă tensiune

Această schemă este adesea folosită la construirea integrală amplificatoare operaționale. Prin utilizarea unui GTS de joasă tensiune, a fost posibil să se obțină o amplitudine mare a semnalului de ieșire și un câștig de înaltă tensiune Ku. Deci, de exemplu, la R2 = 100 Ohm, Rн = 120 kOhm Ku = 370. La R2 = 1,5 kOhm și Rн = 220 kOhm Ku = 1000. Amplitudinea maximă a tensiunii de ieșire a fost practic egală cu + Ep/2.

Utilizarea GTS de joasă tensiune în stabilizatori tensiune DC(CH) vă permite să reduceți diferența admisibilă dintre tensiunile de intrare și de ieșire cu 0,5...2 V în comparație cu circuitele tradiționale MT. Acest lucru este deosebit de important în SN cu tensiune de ieșire scăzută și curent de sarcină mare, deoarece permite reducerea puterii disipate pe tranzistorul de control și creșterea eficienței SN. Opțiune diagramă schematică un astfel de CH este prezentat în Fig. 6.

Orez. 6. Stabilizator de tensiune cu GTS de joasă tensiune

La curent de sarcină 100 mA tensiune de ieșire a rămas în zona de toleranță de cinci procente când intrarea a fost redusă la +5,6 V. Curentul maxim de sarcină poate fi crescut prin utilizarea unui tranzistor compozit în locul tranzistorului VT3.
[email protected]