12.3.3. ЭТАЛОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА НА ТРАНЗИСТОРАХ

В гл. 4 и 5 были рассмотрены простые схемы источников тока, выполненных на биполярных и полевых транзисторах, один из концов нагрузки которых заземлен. Недостаток этих схем состоит в том, что выходной ток нельзя точно определить, так как он зависит от напряжений и Для исключения этой зависимости достаточно ввести в схему операционный усилитель. На рис. 12.11 показаны схемы источников тока с биполярным и полевым транзисторами. Выходное напряжение операционного усилителя устанавливается таким, что напряжение на резисторе равно (Это, естественно, выполняется при положительном напряжении, когда транзисторы еще заперты.) При этом, ток через резистор будет равен Выходной ток источников определяется соотношениями

для схемы с биполярным транзистором:

для схемы с полевым транзистором:

Различие выходных токов объясняется тем, что в биполярных транзисторах часть эмиттерного тока ответвляется в базу. Коэффициент усиления по току В этих транзисторов зависит от напряжения следовательно, ток изменяется в зависимости от В разд. 5.5 из-за этого эффекта выходное сопротивление источника ограничено величиной если даже считать операционный усилитель идеальным.

Влияние конечного усиления по току может быть уменьшено, если биполярный транзистор включить по схеме Дарлингтона. Практически же это влияние можно полностью устранить, применяя полевой транзистор, поскольку ток затвора в нем очень мал. Выходное сопротивление схемы на рис. ограничивается только

Рис. 12.11. а - источник тока с биполярным транзистором. Выходной ток при Выходное сопротивление источник тока с полевым транзистором. Выходной ток при Выходное сопротивление

конечным усилением операционного усилителя. Для расчета выходного сопротивления источника тока на полевом транзисторе запишем следующие соотношения (считая, что

Учитывая уравнение (5.8)

получим формулу для оценки выходного сопротивления

из которой видно, что выходное сопротивление в этом случае больше в раз, чем в схеме на рис. 12.8. При тех же числовых значениях элементов схемы в рассмотренном ранее примере выходное сопротивление при использовании полевого транзистора составит около Однако из-за частотной зависимости коэффициента это значение достигается только при частотах, меньших граничной частоты операционного усилителя При более высоких частотах коэффициент становится комплексным. В этом случае выражение (12.8) для полного выходного сопротивления следует записать в комплексной форме

Как показывает сравнение с выражениями (12.6) и (12.7), полное выходное сопротивление можно представить в виде параллельно соединенных активного сопротивления

Рис. 12.12. Источник тока для больших выходных токов. Выходной ток при . Выходное сопротивление

Рис. 12.13. Инвертирующий источник тока, управляемый напряжением, с полевым транзистором. Выходной ток при Выходное сопротивление

Рис. 12.14. Источник тока на полевом транзисторе с р-каналом. Выходной ток при Выходное сопротивление

Рис. 12.15. Источник тока на полевом транзисторе с квази-р-каналом. Выходной ток при Выходное сопротивление

и емкости Для рассмотренного ранее числового примера значение выходной емкости будет равно Параллельно ей подключена входная емкость полевого транзистора, составляющая несколько пикофарад.

Если требуется получить больший выходной ток, можно применить мощный полевой транзистор или же использовать выходной каскад по схеме Дарлингтона, который в этом случае будет состоять из маломощного полевого и мощного биполярного транзисторов, как показано на схеме рис. 12.12. Параметры источника при этом не изменяются.

Схему на рис. можно модифицировать, подав входное напряжение непосредственно на резистор и заземлив -вход операционного усилителя. Такая схема источника тока приведена на рис. 12.13. Для того чтобы полевой транзистор был открыт, входное напряжение С, должно быть отрицательным. В отличие от схемы на рис. в этом случае источник управляющего напряжения нагружен током 12.

Для того чтобы изменить направление выходного тока источника, следует заменить полевой транзистор с n-каналом на транзистор с -каналом (рис. 12.14). Если же в распоряжении нет полевого транзистора с -каналом, можно использовать схему, приведенную на рис. 12.15. В противоположность рассмотренным до сих пор схемам здесь нагрузка подключается к истоку транзистора. При этом выходной ток источника не изменится, так как он регулируется падением напряжения на сопротивлении Благодаря наличию отрицательной обратной связи по выходному току с уменьшением выходного тока возрастает потенциал Это приводит к увеличению напряжения на затворю транзистора и соответственно к уменьшению напряжения что обеспечивает восстановление исходного тока. Выходное сопротивление этой схемы, конечно, существенно меньше, чем в предыдущих схемах.

При перегрузке источника выходное

Рис. 12.16. Биполярный источник тока с полевыми транзисторами. Выходной ток

Рис. 12.17. Биполярный источник тока с полевыми транзисторами в режиме Выходной ток

напряжение операционного усилителя оказывается поданным на -вход. В результате возникает положительная обратная связь и выходное напряжение операционного усилителя становится равным напряжению насыщения. Чтобы этого не было, в схему введен диод

Обшим недостатком рассмотренных схем является то, что они обеспечивают только одно направление тока в нагрузке. Объединив схемы на рис. 12.11 и 12.14, можно получить источник тока с произвольной полярностью (рис. 12.16). В состоянии покоя для этой схемы В этом случае

При положительном входном напряжении ток получает приращение, равное тогда как ток уменьшается на ту же величину. При этом на выходе источника будет отрицательный выходной ток:

При отрицательном входном напряжении ток уменьшается, увеличивается. В этом случае выходной ток будет положительным. Граница управления током определяется тем напряжением, при котором один из полевых транзисторов будет заперт. В данном случае граничные значения равны Для того чтобы полевой транзистор был заперт, напряжение на его затворе должно превысить напряжение питания Поэтому для питания операционных усилителей и используются напряжения большие соответствующих напряжений (см. рис. 12.16).

Последняя схема отличается малой стабильностью нуля, поскольку выходной ток является разностью токов двух плеч, которые зависят от напряжения питания.

С этой точки зрения схема на рис. 12.17 оказывается более предпочтительной. Она отличается от предыдущей способом регулирования тока [12.1]. Здесь оба выходных каскада регулируются токами текущими в цепях питания операционного усилителя Токи стоков полевых транзисторов определяются следующими

выражениями:

Отсюда получим формулу для выходного тока

Операционные усилители и включены по схеме повторителей напряжения. При этом напряжение на резисторе будет равно разности и 17,. Выходной ток операционного усилителя определяется выражением

При рассмотрении схемы следует учитывать тот факт, что операционный усилитель можно считать узлом токов, для которого в соответствии с правилом узлов сумма токов равна нулю. Если пренебречь входными токами операционного усилителя, можно записать

Подставляя выражение (12.13) в (12.12) и учитывая формулу (12.11), получим выражение для выходного тока источника

Если нет необходимости управлять источником с помощью разности напряжений операционный усилитель можно исключить. При этом следует заземлить свободный конец резистора

В состоянии покоя где ток покоя при отсутствии сигнала, который течет в цепях питания усилителя Этот ток мал по сравнению с максимальным значением тока 15. При положительной разности входных напряжений и практически весь выходной ток протекает через верхний каскад источника тока, тогда как нижний будет заперт. Если же разность входных напряжений отрицательна, то справедливо обратное. Таким образом, схема работает в режиме При этом ток выходных каскадов при отсутствии сигнала

мал по сравнению с максимальным выходным током, поскольку он в этом случае представляет собой разность двух малых величин. В связи с этим схема обладает хорошей стабильностью нуля. Дополнительным преимуществом рассматриваемого источника тока является его высокий что особенно важно при больших выходных токах.

Ток при отсутствии сигнала можно регулировать, если в качестве использовать усилитель, ток которого при отсутствии сигнала регулируется внешним сопротивлением (например, операционный усилитель Ток при отсутствии сигнала выбирают таким, чтобы даже при высоких частотах не возникало искажений при малых значениях сигналов.

К выводам усилителя можно подключить такие же выходные каскады, что и Тогда можно одновременно получить токи 12 и —12, что позволяет, например, построить «плавающие» источники тока. Такие источники будут рассмотрены в следующем разделе.