Токовые зеркала (биполярные транзисторы)

Часто используемой схемой на биполярных транзисторах является так называемое токовое зеркало, которые служит в качестве простого стабилизатора тока, обеспечивающего почти неизменный ток через нагрузку в широком диапазоне сопротивлений нагрузки.

Мы знаем, что в транзисторе, работающем в активном режиме, ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент β. Мы также знаем, что отношение тока коллектора к току эмиттера называется коэффициентом α. Поскольку ток коллектора равен току базы, умноженному на β, а ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора, то α может быть математически выведен из β. Если вы упростите несколько формул, то обнаружите, что для любого транзистора α = β/(β+1).

Мы уже видели, как поддержание неизменного тока базы транзистора в активном режиме приводит к стабилизации тока коллектора в соответствии с коэффициентом β. Коэффициент α работает аналогично: если ток эмиттера поддерживается неизменным, ток коллектора будет оставаться на стабилизированном значении, если падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора достаточно, чтобы поддерживать транзистор в активном режиме. Поэтому, если у нас есть способ удерживать постоянным ток эмиттера, то транзистор будет работать, стабилизируя ток коллектора на неизменном значении.

Помните, что переход база-эмиттер биполярного транзистора представляет собой не что иное, как PN переход, подобный диоду, и что "диодное уравнение" показывает величину тока, протекающего через PN переход, с учетом прямого падения напряжения и температуры перехода:

\(I_D = I_S ( e^{qV_D / NkT} - 1)\)

где

• I_D – ток, проходящий через диод, в амперах;
• I_S – ток насыщения диода, в амперах;
• e – постоянная Эйлера (~2,718281828);
• q – заряд электрона (1,6 × 10-19 кулона);
• V_D – напряжение на диоде, в вольтах;
• N – коэффициент «неидеальности» или «эмиссии» (обычно равен от 1 до 2);
• k – постоянная Больцмана (1,38 × 10-23);
• T – температура перехода в Кельвинах.

Если напряжение и температуру перехода поддерживаются постоянными, то ток PN перехода будет постоянным. По этой причине, если бы мы удерживали напряжение перехода база-эмиттер транзистора постоянным, то ток эмиттера транзистора будет постоянным при постоянной температуре (рисунок ниже).

Этот постоянный ток эмиттера, умноженный на постоянный коэффициент α, дает постоянный ток коллектора через R_нагр, если имеется достаточное напряжение батареи, чтобы поддерживать транзистор в активном режиме для любого изменения сопротивления R_нагр.

Для поддержания постоянного напряжения на переходе база-эмиттер транзистора используется диод в режиме прямого смещения, подключенный параллельно переходу база-эмиттер, что устанавливает постоянное напряжение примерно 0,7 вольта.

Напряжение, падающее на диоде, вероятно, не будет равно точно 0,7 вольта. Точное значение прямого напряжения, падающего на нем, зависит от тока через диод и температуры диода, всё в соответствии с диодным уравнением. Если ток диода увеличивается (например, с помощью уменьшения R_смещ), падение напряжения на нем будет несколько увеличиваться, увеличивая падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, что пропорционально увеличит ток эмиттера, предполагая, что PN переход диода и переход база-эмиттер транзистора хорошо согласованы друг с другом. Другими словами, в любой момент времени ток эмиттера будет точно равен току диода. Если вы измените ток диода, изменив значение сопротивления R_смещ, то ток эмиттера последует за ним, потому что ток эмиттера описывается тем же уравнением, что и ток диода, а падения напряжений на обоих PN переходах равны.

Помните, что ток коллектора транзистора почти равен току его эмиттера, поскольку отношение α типового транзистора почти равно единице (1). Если мы контролируем ток эмиттера транзистора, регулируя ток через диод простой подстройкой резистора, то мы также контролируем ток коллектора транзистора. Другими словами, ток коллектора повторяет, как зеркало, ток диода.

Таким образом, ток через резистор R_нагр является функцией тока, установленного резистором смещения, причем оба почти равны. Это является назначением данной схемы: стабилизировать ток через резистор нагрузки с помощью удобной подстройки значения R_смещ. Ток через диод описывается простой формулой: напряжение источника питания минус напряжение диода (почти постоянное значение), деленное на сопротивление R_смещ.

Для согласования характеристик двух PN переходов (переход диода и переход база-эмиттер транзистора), вместо обычного диода можно использовать транзистор, как показано на рисунке ниже (a).

(a) (b)

Поскольку одним из факторов в "диодном уравнении" является температура, и мы хотим, чтобы два PN перехода вели себя одинаково во всех рабочих условиях, мы должны поддерживать у обоих транзисторов одинаковую температуру. На дискретных компонентах это легко сделать, склеив корпуса двух транзисторов. Если транзисторы производятся сразу в одной кремниевой микросхеме (в виде так называемой интегральной микросхемы, или ИМС), разработчики должны располагать два транзистора близко друг к другу, чтобы облегчить передачу тепла между ними.

Схема токового зеркала на двух NPN транзисторах, показанная на рисунке (a) выше, иногда называют токопринимающим типом, поскольку стабилизирующий транзистор проводит ток к нагрузке от земли ("втекающий" ток), а не с положительной клеммы батареи ("вытекающий" ток). Если нам нужна нагрузка, соединенная с землей, и схема токовыдающего токового зеркала, то можем использовать PNP транзисторы, как показано на рисунке выше (b).

Хотя в составе микросхемы легче изготовить транзисторы, но в нее могут быть включены и резисторы. Разработчики микросхем избегают некоторых резистором, заменяя резисторы нагрузки на источники тока. Схема, аналогичная операционному усилителю, построенная на дискретных компонентах, будет иметь несколько транзисторов и множество резисторов. Версия на интегральной микросхеме будет иметь множество транзисторов и несколько резисторов. На рисунке ниже одно опорное напряжение (Q1) управляет несколькими токовыми зеркалами: Q2, Q3 и Q4. Если площади у Q2 и Q3 одинаковы, то и токи нагрузок I_нагр будут равны. Если нам нужен 2·I_нагр, то можно соединить параллельно Q2 и Q3. Еще лучше изготовить один транзистор, скажем Q3, с удвоенной площадью Q2. Ток I₃ тогда будет в два раза больше, чем I₂. Другими словами, ток нагрузки пропорционально зависит от площади транзистора.

Обратите внимание на то, что линию подачи напряжения базы принято рисовать прямо через условные обозначения транзисторов нескольких токовых зеркал. Или в случае Q4 на рисунке выше, два источника тока объединены в одно условное обозначение транзистора. Резисторы нагрузки нарисованы почти невидимыми, чтобы подчеркнуть тот факт, что в большинстве случаев они не существуют. Нагрузка часто представляет собой другую (их может быть несколько) транзисторную схему, например пару эмиттеров дифференциального усилителя, например Q3 и Q4 в схеме "Простой операционный усилитель" в главе 8. Часто коллекторная нагрузка транзистора является не резистором, а токовым зеркалом. Например, коллекторная нагрузка коллектора Q4 – это токовое зеркало Q2 (глава 8).

Для примера токового зеркала с несколькими коллекторными выходами смотрите Q13 в модели операционного усилителя 741, глава 8. Выходы токового зеркала Q13 используются вместо резисторов в качестве коллекторных нагрузок для Q15 и Q17. Из примеров мы видим, что в интегральных микросхемах вместо резисторов предпочитают использовать токовые зеркала.

Подведем итоги:

• Токовое зеркало представляет собой транзисторную схему, которая стабилизирует ток через нагрузку, точка стабилизации устанавливается простой подстройкой резистора.
• Транзисторы в схеме токового зеркала для точной работы должны поддерживаться при одинаковой температуре. При использовании дискретных транзисторов для этого вы можете склеить их корпуса вместе.
• Схемы токовых зеркал могут быть построены в двух основных вариантах: токопринимающая схема, где стабилизирующий транзистор соединяет нагрузку с землей, и токовыдающая схема, где стабилизирующий транзистор соединяет нагрузку с положительным выводом источника питания постоянного напряжения.

Теги