Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

Добавлено 4 января 2020 в 22:18

Рассмотрим простую версию схемы, которая имеет важное значение в разработке аналоговых интегральных микросхем.

Вспомогательная информация

Что за источник тока?

Источники стабилизированного тока занимают видное место в заданиях по анализу цепей и теориях цепей, а затем, кажется, они более или менее исчезают... если вы не разработчик микросхем. Хотя источники тока редко встречаются в типовых проектах печатных плат, они широко распространены в мире аналоговых микросхем. Это потому, что они используются 1) для смещения и 2) в качестве активных нагрузок.

Смещение: транзисторы, работающие как усилители в линейном режиме, должны быть смещены так, чтобы они работали в нужной части своей передаточной характеристики. Лучший способ реализовать это в контексте разработки микросхем – это заставить заданный ток течь через сток транзистора (для MOSFET) или коллектора (для биполярного транзистора). Этот заранее определенный ток должен быть стабильным и независимым от напряжения на компоненте источника тока. Конечно, ни одна реальная схема никогда не будет абсолютно стабильной или абсолютно невосприимчивой к изменениям напряжения, но, как это обычно бывает в инженерном деле, совершенство не совсем необходимо.
Активные нагрузки: В схемах усилителей вместо коллекторных/стоковых резисторов могут использоваться источники тока. Эти «активные нагрузки» обеспечивают более высокий коэффициент усиления по напряжению и позволяют цепи работать должным образом при более низком напряжении питания. Кроме того, технология изготовления микросхем отдает предпочтение транзисторам по сравнению с резисторами.

В данной статье я буду ссылаться на выход источника тока как на «ток смещения» или I_смещ, потому что я считаю, что использование в качестве смещения является более простым средством для изучения основных функций этой схемы.

Схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах

Ниже показана базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах:

На мой взгляд, она удивительно проста – два NMOS-транзистора и один резистор. Давайте посмотрим, как она работает.

Как видите, сток Q₁ накоротко замкнут с затвором. Это означает, что V_затвор = V_сток (V_G = V_D), и, следовательно, V_{затвор-сток} = 0 В (V_GD = 0 В). Итак, Q₁ находится в области отсечки, области триода или области насыщения? Он не может быть заперт, потому что, если ток не протекает через канал, напряжение на затворе будет равно напряжению питания (V_DD), и, следовательно, V_{затвор-исток} (V_GS) будет больше, чем пороговое напряжение V_порог (можно смело предположить, что V_DD выше, чем V_порог). Это означает, что Q₁ всегда будет в режиме насыщения (также называемом «активным» режимом), потому что V_{затвор-сток} = 0 В, и одним из способов выражения условия насыщения MOSFET транзистора является то, что V_{затвор-сток} должно быть меньше, чем V_порог.

Если вспомнить, что через затвор полевого MOSFET транзистора не течет устойчивый ток, мы можем увидеть, что опорный ток I_опор будет равен току стока Q₁. Мы можем настроить значение этого опорного тока, выбрав соответствующее значение для резистора настройки R_настр. Так какое отношение всё это имеет к Q₂? Итак, на ток утечки полевого MOSFET транзистора при насыщении влияет отношение ширины канала к его длине и напряжение затвор-исток:

\[I_{сток}=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{зи}-V_{порог})^2\]

На данный момент мы игнорируем модуляцию длины канала; следовательно, как показывает формула, ток стока не зависит от напряжения сток-исток. Теперь обратите внимание, что истоки у обоих полевых транзисторов подключены к земле, и что их затворы замкнуты вместе – иными словами, оба имеют одинаковое напряжение затвор-исток. Таким образом, если предположить, что оба устройства имеют одинаковые размеры канала, их токи стока будут одинаковыми, независимо от напряжения на стоке Q₂. Это напряжение обозначено как V_ит, что означает напряжение на компоненте источника тока; это помогает напомнить нам, что Q₂, как и любой хорошо работающий источник тока, генерирует ток смещения, который не зависит от напряжения на его клеммах. Еще один способ сказать это – Q₂ имеет бесконечное выходное сопротивление:

Рисунок 2 Q2 имеет бесконечное выходное сопротивление — Рисунок 2 – Q₂ имеет бесконечное выходное сопротивление

В этих условиях ток никогда не протекает через выходное сопротивление R_вых, даже если V_ит очень велико. Это означает, что ток смещения всегда в точности равен опорному току.

Распространенным названием для этой схемы является «токовое зеркало». Вы, вероятно, можете понять, почему – ток, генерируемый правым транзистором является зеркальным отражением (т.е. равным) опорному току, протекающему через левый транзистор. Это название особенно подходит, когда вы принимаете во внимание визуальную симметрию, демонстрируемую представлением типовой схемы.

Кстати, для старых микросхем часто требовался внешний резистор для R_настр. Однако в настоящее время производители используют встроенные резисторы, которые обрезаются при производстве для достижения достаточной точности.

Важность пребывания транзистора в режиме насыщения

Первым серьезным вызовом этому идеализированному анализу данной схемы является тот факт, что всё разваливается, когда транзистор не находится в режиме насыщения. Если Q₂ находится в области триода (т.е. в линейной), ток стока будет сильно зависеть от V_{сток-исток} (V_DS). Другими словами, у нас больше нет источника тока, потому что на ток смещения влияет V_ит. Мы знаем, что напряжение затвор-сток Q₂, чтобы поддерживать насыщение, должно быть меньше порогового напряжения.

Другой способ сказать это: Q₂ покинет область насыщения, когда напряжение стока станет на V_порог вольт ниже, чем напряжение затвора. Мы не можем указать точное число, потому что и напряжение на затворе, и пороговое напряжение будут варьироваться от одной реализации к другой.

Пример: напряжение затвора, необходимое для генерации требуемого тока смещения, составляет около 0,9 В, а пороговое напряжение составляет 0,6 В; это означает, что мы можем поддерживать насыщение до тех пор, пока V_ит остается выше ~ 0,3 В.

Модуляция длины канала

К сожалению, даже когда проект нашей итоговой схемы гарантирует, что Q₂ всегда будет в насыщении, наш источник тока на MOSFET транзисторах будет не совсем идеален. Виновником является модуляция длины канала.

Суть области насыщения заключается в «отсечке» канала, который существует, когда напряжение затвор-сток не превышает пороговое напряжение.

Рисунок 3 Защемление канала — Рисунок 3 – Отсечка канала

Идея состоит в том, что ток стока становится независимым от V_ит после того, как канал отсекается, потому что дальнейшее увеличение напряжения стока не влияет на форму канала. Однако в действительности увеличение V_ит заставляет «точку отсечки» перемещаться к истоку, и это позволяет напряжению стока оказывать небольшое влияние на ток стока, даже когда полевой транзистор находится в насыщении. Результат можно представить следующим образом:

Рисунок 4 Влияние перемещения точки защемления — Рисунок 4 – Влияние перемещения «точки отсечки»

I_смещ теперь является суммой I_опор (определяется R_настр) и I_ошибки (ток, протекающий через выходное сопротивление). I_ошибки подчиняется закону Ома: более высокое V_ит означает больший I_ошибки и, следовательно, больший I_смещ, и, таким образом, источник тока больше не независим от напряжения на его клеммах.

Настройка и управление

Эта удобная схема источника тока становится еще лучше, когда вы понимаете, насколько она гибкая. Сначала давайте посмотрим на настройку тока, генерируемого Q₂. До сих пор мы предполагали, что генерируемый ток равен опорному току, но это верно только в том случае, если транзисторы имеют одинаковое отношение ширины канала к длине канала. Вспомните формулу для тока стока в режиме насыщения:

\[I_{сток}=\frac{1}{2}\mu_nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{зи}-V_{порог})^2\]

Ток стока прямо пропорционален отношению ширины к длине, и, таким образом, мы можем увеличить или уменьшить I_смещ, просто сделав отношение W/L в Q₂ выше или ниже, чем в Q₁. Например, если мы хотим, чтобы ток смещения был в два раза больше опорного тока, все, что нам нужно сделать, это сохранить длины каналов одинаковыми и увеличить ширину канала в Q₂ в два раза. (Это может показаться не таким простым, если вы привыкли работать с дискретными полевыми транзисторами, но указание размеров канала является стандартной практикой при проектировании микросхем).

Также очень просто использовать эту схему для «токового управления». Следующая схема иллюстрирует концепцию токового управления:

Рисунок 5 Токовое управление — Рисунок 5 – Токовое управление

Это включение MOSFET транзисторов позволяет генерировать множество токов смещения от одного опорного тока. Более того, каждый из этих токов может быть разным – их можно индивидуально изменять, просто регулируя соотношения ширины канала к его длине.

Заключение

Мы рассмотрели работу и возможности базовой схемы источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах, а также обсудили ее ограничения. Как следует из прилагательного «базовый», существуют лучшие схемы. Но базовая схема – хорошая отправная точка, потому что двухтранзисторное токовое зеркало остается основным ядром схем с более высокой производительностью.