§ 4.10. УПРАВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА И УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Усилительные каскады с управляемыми источниками тока применяются в интегральной схемотехнике.

Управляемые источники тока представляют собой либо цепи, питающие нагрузку определенным током, либо цепи, отбирающие этот ток от нагрузки.

Рис. 4.35. Схемы управляемых источников тока (а — в)

Из-за технологических особенностей вторая группа цепей получила большее распространение.

Упрощенная схема управляемого источника тока показана на рис. 4.35, а. В ней транзистор охвачен -ной обратной связью, так как его выход (вывод коллектора) соединен с входом (выводом базы). Этот транзистор включен диодом. Ток, протекающий в цепи базы, приблизительно в Раз меньше тока в цепи коллектора:

(4.196)

Если транзистор , эмиттерный переход которого подключен параллельно эмиттерному переходу транзистора , имеет полностью идентичные характеристики с транзистором , то в цепи его базы протекает ток равный току . Соответственно равны и коллекторные токи: Общий входной ток каскада складывается из коллекторного и базового токов транзистора , а также базового тока транзистора :

(4.197)

Тогда отношение входного и выходного токов можно записать как

(4.198)

Таким образом, при использовании идентичных транзисторов с большим коэффициентом передачи базового тока , выходной ток практически равен входному и направлен в противоположную сторону. Поэтому подобные управляемые источники тока иногда называют отражателями тока или токовыми зеркалами. Для получения источника постоянного тока его необходимо подключить к источнику ЭДС через сопротивление :

(4.199)

причем должно быть значительно больше напряжения , чтобы изменения последнего не меняли ток . Выходное сопротивление подобных источников тока значением сопротивления коллекторного перехода .

Используя более сложные схемы (например, рис. 4.35, б), можно получить значительно меньшую зависимость отношения входного и выходного токов от параметров транзисторов и соответственно лучшие характеристики. Для приведенного на схеме источника тока справедливы уравнения, которые получены исходя из предположения об идентичности характеристик транзисторов:

(4.200)

Отсюда

и, пренебрегая малыми значениями, найдем

(4.201)

Из выражения (4.201) видно, что отношение токов меньше зависит от параметра транзисторов, чем в случае, показанном на рис. 4.35, а.

Часто в качестве источника тока используют цепь, представленную на рис. 4.35, в. В ней ток зависит от напряжения Е источника и резистора в эмиттерной цепи. Если , то можно считать, что , где .

Тогда для тока цепи имеем

(4.202)

Во всех приведенных на рис. 4.35 схемах выходное сопротивление определяется дифференциальным сопротивлением смещенного в обратном направлении коллекторного перехода и равно сотням кОм — нескольким .

Управляемые источники тока позволяют эффективно выполнять усилительные каскады разного назначения. Так, на рис. 4.36, а приведена схема дифференциального каскада с токовым выходом, высоким выходным сопротивлением и с большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала. В ней транзистор вместе с диодом VD выполняет функции управляемого источника тока. Транзисторы образуют дифференциальный каскодный каскад, в котором транзисторы включены по схеме с ОК, а транзисторы — по схеме с ОБ.

Рис. 4.36. Схемы усилительных каскадов с токовым выходом, управляемых от источника напряжения (а) и источника (б)

Транзисторы являются высокоомной динамической нагрузкой дифференциального каскодного усилителя. Напряжение смещения их задается эмиттерным повторителем на транзисторе . Для нормальной работы каскада соответствующие пары транзисторов подбираются идентичными по параметрам.

В схеме имеется источник постоянного тока с помощью которого задаются требуемые значения токов :

(4.203)

Ток связан с токами соотношением

(4.204)

Током определяются токи транзисторов , сумма которых в первом приближении равна . Тогда

(4.205)

Для упрощения выражений примем, что для всех транзисторов равны и достаточно велики, так что . Подставив в выражение (4.203) значения соответствующих токов и учтя принятые допущения, получим

(4.206)

Следовательно, ток, потребляемый каскадом, не зависит от параметров его транзисторов и входных напряжений, а определяется источником тока .

Изменяя можно менять токи, протекающие через каскад, и соответственно его основные характеристики.

Если входные напряжения , то , а выходной ток .

Пусть теперь одно из входных напряжений, например , увеличится на , причем . Это приведет к увеличению тока , протекающего через транзисторы . Базовый ток транзистора также увеличится. Базовый ток транзистора и ток , уменьшатся, так как эти цепи питаются от источника тока и увеличение одной составляющей приводит к соответствующему уменьшению другой. Уменьшение тока 11 приведет к снижению напряжения на коллекторе транзистора и напряжения на базах транзисторов . В итоге ток , протекающий через транзистор , уменьшится.

Таким образом, в результате воздействия дифференциального напряжения ток транзисторов увеличится на , а ток транзистора уменьшится на . Выходной ток каскада примет значение

(4.207)

Итак, дифференциальное напряжение, приложенное к входным зажимам каскада, вызывает на выходе появление тока, прямо пропорционального этому напряжению.

При отсутствии дифференциального входного сигнала выходное напряжение не равно нулю: .

Одновременное изменение напряжения на обоих входах (синфазный входной сигнал) практически не меняет выходное напряжение и ток. Это обусловлено стабилизирующими свойствами источника тока на транзисторе и диоде .

Действительно, если одновременно увеличить входные напряжения , то токи должны увеличиться. Это приведет к увеличению тока и уменьшению тока . Так как ток определяет токи , то его уменьшение вызывает соответствующее уменьшение Такая взаимная компенсация изменений тока приводит к малой зависимости его от источника синфазного сигнала, практически не влияя на его характеристики для дифференциального сигнала.

Кроме того, обратная связь, осуществляемая через этот управляемый источник тока, улучшает стабильность выходного напряжения при нулевом дифференциальном сигнале. Это важно для построения многокаскадных усилителей.

Вариант усилительного каскада с источником тока показан также на рис. 4.36, б. В нем управляемый источник тока собран на транзисторах . Транзисторы , образующие плечи дифференциального каскада, включены по схеме с ОБ. Входное сопротивление каскада низкое. Он управляется разностью входных токов.

Дифференциальный входной сигнал в таком каскаде преобразуется в несимметричный выходной. При равных входных токах в плечах каскада протекают равные токи: .

Если эмиттерные токи транзисторов получат одинаковые по модулю, но противоположные по направлению приращения

(4.208)

то ток транзистора , входящего в управляемый источник тока, также увеличится на :

(4.209)

В итоге изменится на .

Выходное напряжение у этого каскада, так же как и у предыдущего, сдвинуто по уровню относительно входного. Значение сдвига зависит от режима работы транзисторов. Значит, подобные каскады позволяют не только усиливать сигнал, но и выполнять операцию изменения уровня постоянной составляющей напряжения.

Высокое выходное сопротивление каскадов этого типа позволяет предельно просто корректировать их частотную характеристику. Для этого к входному зажиму подключают конденсатор малой емкости, значение которой определяет частоту среза. Подобные усилительные каскады обеспечивают получение частотной характеристики, близкой к оптимальной с точки зрения обеспечения устойчивости, при введении цепей отрицательной ОС.

Для проведения полного анализа необходимо составить эквивалентную схему каскада и провести ее исследование пользуясь общими правилами теории электрических цепей.

С использованием управляемых источников тока выполняют и усилительные каскады специального назначения, например обеспечивающие согласование (смещение) уровней напряжения (рис. 4.37, а). В ней использованы транзисторы с электропроводностью одного типа. Транзистор , на базу которого подан входной сигнал , выполняет роль эмиттерного повторителя. Транзистор включен генератором тока. Потенциал его базы, определяющий ток и значение смещения уровня, задан от специальной цепи, дающей напряжение :

(4.210)

Если считать, что входное сопротивление эмиттерного повторителя на транзисторе достаточно велико, то тогда токи последовательно включенных транзисторов в первом приближении равны: Постоянный ток создает на резисторе падение напряжения

(4.211)

Рис. 4.37. Схемы «смещения уровня» напряжения:а - с единичным коэффициентом передачи, б - с коэффициентом передачи большим единицы

Следовательно, потенциал базы транзистора отличается от потенциала базы транзистора на значение . Выходное напряжение меньше входного на значение :

(4.212)

При изменении выходное напряжение повторяет его, но оно смещено по уровню на постоянное значение U, которое практически не зависит от величины входного сигнала. Последнее обусловлено небольшим изменением напряжений база — эмиттер у эмиттерных повторителей, которые во много раз меньше . Изменяя напряжение можно менять уровень смещения напряжения.

Подобный каскад имеет высокое входное сопротивление, стабильный коэффициент передачи, низкое выходное сопротивление и постоянный уровень смещения.

Для увеличения коэффициента усиления по напряжению эмиттерный резистор подключают к эмиттеру транзистора (рис. 4.37, б). Такое включение позволяет последнему кроме функции генератора тока выполнять функции усилительного каскада с ОБ. Коэффициент усиления по напряжению существенно больше единицы.

Управляемые источники тока широко применяют в интегральной схемотехнике, например при создании операционных усилителей.