3.06. Источники тока на ПТ с р-n-переходом

ПТ используется в качестве источников тока в составе интегральных схем (в частности, в ОУ), а также иногда и в схемах на дискретных элементах.

Рис. 3.16.

Рис. 3.17. Семейство выходных характеристик -канального ПТ с типа : зависимость при различных значениях при полном масштабе изменений параметров (а) и на начальном участке (б).

Простейший источник тока на ПТ показан на рис. 3.16; мы выбрали ПТ с р-n-переходом, а не МОП-транзистор, поскольку ему не требуется смещения затвора (режим с обеднением). Из стоковых характеристик ПТ (рис. 3.17) видно, что ток будет приблизительно постоянным при больше 2 В. Однако в силу разброса величина этого тока непредсказуема. Например, устройство (типичный «-канальный транзистор с ) имеет паспортную величину от 1 до . И все же эта схема привлекает своей простотой двухвыводного устройства, дающего постоянный ток. Существуют дешевые серийные «диодные стабилизаторы тока», представляющие собой всего лишь отобранные по току ПТ с , у которых затвор соединен со стоком. Это токовые аналоги стабилитронов (стабилизаторов напряжения).

Рис. 3.18. «Диод-регулятор тока» . а - полный масштаб изменения напряжения; б - начальный участок.

Приведем характеристики таких приборов из серии :

Мы построили график вольт-амперной характеристики устройства , имеющего номинальный ток стабилизации рис. 3.18, а демонстрирует хорошее постоянство тока вплоть до напряжения пробоя (140 В для данного конкретного образца), тогда как из рис. 3.18, б видно, что полный ток данного устройства достигается при падении напряжения на нем несколько меньше 1,5 В. В разд. 5.13 мы покажем, как можно использовать такого рода устройство для создания генератора пилообразного напряжения с острыми вершинами сигнала. В табл. 3.4 дан неполный перечень устройств серии .

Таблица 3.4. Диодные стабилизаторы тока

Источник тока с автоматическим смещением.

Вариация предыдущей схемы дает регулируемый источник тока (рис. 3.19). Резистор автоматического смещения R задает обратное смещение затвора , уменьшая и приводя ПТ с в состояние, близкое к отсечке. Можно рассчитать значение R по выходным характеристикам для конкретного ПТ. Эта схема не только дает возможность устанавливать ток (который должен быть меньше и сделать это более предсказуемым образом.

Рис. 3.19.

Кроме того, эта схема является лучшим источником тока (с более высоким динамическим сопротивлением) в силу того, что истоковый резистор обеспечивает обратную связь по току (которую мы рассмотрим в разд. 4.07), а также потому, что характеристики ПТ с как источника тока при обратном смещении затвора всегда улучшаются, как это видно из приведенных на рис. 3.2 и 3.17 характеристик, где чем ниже кривая зависимости от , тем она ближе к горизонтали. Однако, конечно, надо помнить, что значение , полученное при каком-то значении для данного конкретного ПТ, может отличаться от взятого из характеристики на значительную величину ввиду, технологического разброса. Если надо получить строго заданный ток, то можно использовать в цепи истока подстроечный резистор.

Упражнение 3.1. Подберите значение R для получения тока в схеме источника тока на ПТ с , используя полученные измерениями кривые, представленные на рис. 3.17. Теперь оцените, к чему приводит тот факт, что паспортные данные для имеют разброс от 1 до .

Источник тока на ПТ с -переходом, даже с резистором в цепи истока, дает несколько изменяющийся ток при изменении напряжения, т. е. он имеет конечное выходное сопротивление, а не желаемое бесконечное значение . Кривые рис. 3.17 показывают, например, что у транзистора при изменении напряжения стока в рабочем диапазоне от 5 до 20 В ток стока при замкнутых накоротко истоке и затворе (т.е. ) изменяется на 5%. Эту вариацию можно уменьшить до 2% или около того, включив в цепь истока резистор. Тот же прием, который был использован в схеме рис. 2.24, можно использовать и для источников тока на ПТ с -переходом, как это и сделано на рис. 3.20. Идея (как и в случае с биполярными транзисторами) состоит в том, чтобы использовать второй ПТ с для поддержания постоянным напряжения сток-исток в источнике тока. в этом случае является обычным источником тока на ПТ с -переходом с истоковым резистором.

Рис. 3.20. Каскодная схема «потребителя» тока на ПТ с -переходом.

-переходом с большим значением , включенный «последовательно» с источником тока. Он пропускает постоянный ток стока в нагрузку, удерживая в то же время напряжение на стоке неизменным, а тем самым и напряжение затвор-исток, что вынуждает работать с тем же током, что и . Таким образом, «экранирует» от колебаний напряжения на выходе; поскольку не подвержен вариациям напряжения стока, он «сидит на месте» и обеспечивает постоянный ток. Если вернуться к схеме зеркала Вилсона (рис. 2.48), то мы увидим, что здесь используется та же идея фиксации напряжения.

Вы можете распознать в этой схеме на ПТ с «каскодную» схему, которая обычно используется для преодоления эффекта Миллера (разд. 2.19). Каскодная схема на ПТ с проще, чем на биполярных транзисторах, поскольку здесь не требуется напряжения смещения на затворе верхнего ПТ: ввиду того, что он работает в режиме с обеднением, можно просто заземлить его затвор (сравните с рис. 2.74).

Упражнение 3.2. Объясните, почему верхний ПТ с -переходом в каскодной схеме должен иметь более высокое значение нач, чем нижний ПТ.

Помочь в этом может рассмотрение каскодной схемы на ПТ с -переходом без истокового резистора.

Важно осознавать, что источник тока на хороших биполярных транзисторах обеспечит намного лучшие предсказуемость и стабильность, чем источник тока на ПТ с . Более того, построенные на ОУ источники тока, которые мы увидим в следующей главе, еще лучше. Например, источник тока на ПТ в типичном диапазоне температур и вариаций напряжения нагрузки может давать ток с отклонениями на 5%, даже если подгонкой истокового резистора установить желаемый ток; в то же время источник тока на ОУ из биполярных или полевых транзисторов даст без особых усилий со стороны разработчика предсказуемость и стабильность лучше 0,5%.