Особенности построения источников тока в схемотехнике ОУ

Генераторы стабильного тока (ГСТ) или источники тока применяются в схемотехнике ОУ в качестве источников фиксированного тока или в качестве высокоомных динамических нагрузок. Строятся они на основе биполярных и полевых структур. Источник тока может быть реализован, например, следующим образом:

Рис. 25. Эквивалентная схема источника тока

,

(42)

Чтобы I_н не зависел от R_н , необходимо, чтобы .

Если I₀ » 1мкА ¸ 1 мА – типовая величина (I₀ – определяет коэффициент усиления дифференциального каскада). Для того, чтобы R должно быть не менее 10 МОм, тогда ЭДС, которой должен обладать источник равна:

.

(43)

Но в интегральных схемах (ИС) пробивное напряжение изолятора (SiO₂) » 30 В. Такие высокие напряжения в ИС не реализуются. Кроме этого в ИС есть пассивные резисторы, изготавливать которые по диффузионной технологии номиналом больше 20¸30 кОм экономически не выгодно, так как возрастают их размеры, увеличиваются паразитные параметры. Поэтому в ИС реализовывать источники тока по такой схеме нецелесообразно.

В ИС при реализации источника тока обеспечивают высокое выходное сопротивление только для переменных составляющих сигнала, при этом сопротивление по постоянному току может быть небольшим.

Для реализации этой идеи хорошо подходят выходные статические характеристики биполярных и полевых транзисторов.

Например, для схемы с ОЭ:

Рис. 26. Выходные статические характеристики биполярных транзисторов в схемы с ОЭ

Дифференциальное выходное сопротивление, определяемое по статическим выходным характеристикам имеет вид:

,

(44)

и составляет сотни кОм ¸ единицы МОм, тогда как сопротивление по постоянному току может быть единицы кОм:

,

(45)

где – ток коллектора при покое схемы.

Дифференциальное сопротивление, кроме того, может быть, существенно увеличено, например, при использовании в схеме отрицательной обратной связи по току.

Учитывая это, простая схема источника тока может быть представлена в виде каскада с ОЭ

Рис. 27. Схема источника тока (каскад с общим эмиттером)

Если , то можно пренебречь током базы в сравнении с током эмиттера. Тогда падения напряжения на R₁ не будет, и выражение для I_э можно представить в виде:

,

(46)

поэтому можно сказать, что в этой схеме ток в нагрузке не зависит от R_н. Значит, схема по коллекторной цепи транзистора ведет себя как источник тока. Причем на R_э обеспечивается отрицательная обратная связь по току, которая, увеличивая внутреннее сопротивление транзистора, улучшает токостабилизирующие свойства схемы.

Однако, несмотря на отрицательную обратную связь по току здесь проявляется недостатки схемы в связи с низкой температурной стабильностью. Основная причина – температурный дрейф .

Для исключения этого температурного дрейфа схему можно дополнить термокомпенсирующим диодом (рис.28).

Рис. 28. Схема источника тока (зеркало токов)

Аналогично предыдущему, пренебрегая током базы, получим, что:

.

(47)

Если R₂ = R_э, то I_н = I_д, поэтому схему на рис. 33 еще называют зеркалом токов, так как I_н является отражением I_д.