Теоретические сведения и методические указания.

Источники тока (ИТ) используются в интегральных схемах для смещения рабочих точек транзисторов. Назначение источника тока – поддерживать неизменный ток при изменении сопротивления нагрузки. Как известно, внутреннее сопротивление идеального источника тока бесконечно велико. В реальной цепи этого достичь невозможно: такой источник должен иметь бесконечную мощность. Кроме того, реальные схемы способны поддерживать неизменный ток только в определенном диапазоне изменения сопротивления нагрузки. Качество реального источника тока тем выше, чем больше его внутреннее сопротивление.

2.1. Источник тока на основе схемы с общим эмиттером

Простейшим источником тока является схема с общимэмиттером и отрицательной обратной связью по току (рис. 2.1). Нагрузкой является резистор R_н в цепи коллектора.

Ток коллектора

Здесь

Рис. 2.1

Пример 2.1. Расчет источника тока на рис. 2.1

 Рассчитать источник тока (рис. 2.1), обеспечивающий ток I_к = 1 мА коллектора. Напряжение источника питания Е_к = 15 В, коэффициент усиления тока базы β = 100.

Решение:

Выберем напряжения коллектора и эмиттера равными приблизительно одной третьей напряжения источника (правило одной трети). Напряжение базы . Напряжение эмиттера .

 Полагая , находим сопротивление эмиттерного резистора

Ток делителя напряжения – . Входное сопротивление делителя

Поскольку напряжение базы

сопротивления резисторов должны быть равны Максимальное значение сопротивления резистора R_н, при котором транзистор остается в активном режиме

Выберем R_н = 5 кОм. При этом напряжение на сопротивлении нагрузки .

2.2. Отражатель тока (токовое зеркало)

В аналоговых интегральных схемах в качестве источников тока используются схемы, получившие название «отражатель тока» или «токовое зеркало». Схема простейшего токового зеркала на биполярных транзисторах показана на рис. 2.2.

 Коллектор и база транзистора VТ1 закорочены. Такое включение транзистора называют диодным. Поскольку при диодном включении , VТ1 работает в активном режиме. Напряжения база-эмиттер обоих транзисторов одинаковы. Если параметры транзисторов идентичны (это легко обеспечить в интегральных схемах), то . При этом управляющий ток . Ток нагрузки

Таким образом, транзистор VТ2 передает в нагрузку ток, равный управляющему.

 Максимальное сопротивление нагрузки, при котором транзистор VT2 находится в активном режиме и обеспечивает заданное значение тока,

 .

С помощью токового зеркала можно получить нагрузочный ток, кратный управляющему: . Для этого необходимо, чтобы площади эмиттерных переходов VТ1 и VТ2 отличались в m раз:

Если m – целое, то в качествеVТ2 можно рассматривать m идентичных транзисторов, включенных параллельно. При этом отношение нагрузочного и управляющего токов

Пример 2. 2. Расчет отражателя тока.

Рассчитать сопротивление резистора в схеме токового зеркала на рис. 2.3.2, обеспечивающего выходной ток I_к = 1 мА. Напряжение питания Ek = 10В. Параметры транзисторов одинаковы.

Решение:

Поскольку транзистор VT1 включен по диодной схеме, напряжение коллектора . Транзисторы VT1 и VT2 одинаковы, поэтому их коллекторные токи равны: . Сопротивление резистора

Отражатели тока широко используются в аналоговых интегральных схемах. Это объясняется тем, что в ИС легко обеспечить идентичность транзисторов. Схема токового зеркала содержит минимальное число резисторов и за счет этого занимает малую площадь на кристалле.

2.3. Модифицированные отражатели тока

Характеристики отражателя тока на рис. 2.2 отличаются от идеальных. Можно показать, что его внутреннее сопротивление равно выходному сопротивлению транзистора и зависит от наклона выходных характеристик на участке, соответствующем активному режиму.

 На рис. 2.3 показана схема источника тока, имеющая значительно лучшие характеристики. Ее называют токовым зеркалом Уилсона.

Рис. 2.3                      Рис. 2.4

Поскольку транзисторы в схеме на рис. 2.3 согласованы, токи коллекторов VT1 и VT2 равны: . Соответственно, базовые токи .

 Ток эмиттера транзистора VT3

Ток нагрузки

.

В соответствии с первым законом Кирхгофа ток источника

.

Из приведенных соотношений следует, что ток нагрузки

Можно показать, что выходное сопротивление токового зеркала Вильсона

Другая схема модифицированного источника тока показана на рис. 2.4. ее называют токовым зеркалом Видлара.

2.4 Рекомендации по сборке схемы

При сборке схем источников тока можно использовать модели n-p-n транзисторов Q2N3904 или Q2N2222 из библиотеки EVAL.slb.

Предварительный расчет

1.Рассчитать значения элементов в схеме источника тока (рис. 2.1), обеспечивающие требуемое значение . Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.1.

2.Рассчитать токи эмиттера, коллектора и базы, а также напряжение коллектор-эмиттер, если сопротивление резистора в цепи коллектора принимает значения  Результаты расчета записать в отчет.

3.Определить диапазон изменения резистора в цепи коллектора, при котором транзистор работает в активном режиме.

4.Рассчитать значения элементов в схеме отражателя тока на рис. 2.2, обеспечивающие требуемое значение . Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.1.

5.Рассчитать напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VТ2, если сопротивление нагрузочного резистора принимает значения  

6.Определить диапазон изменения резистора , при котором транзистор VТ2 работает в активном режиме

7.Результаты предварительного расчета записать в отчет.

Таблица 2.1

Схема	рис. 2.1		рис. 2.2
Вариант
1	1.0	12	0.5	1.0	5
2	1.2	10	0.8	0.8	10
3	1.5	15	1	3	12
4	1.0	10	1.5	3.0	15
5	0.5	5	0.1	0.2	5
6	0.8	10	0.3	0.3	5
7	0.5	10	1	2	15
8	1.2	5	0.6	1.2	12
9	0.6	5	1	1	10
10	0.7	10	1	2	12

Порядок выполнения работы

1. Исследование источника тока на рис. 2.5.

1) Собрать схему, показанную на рис. 2.5. Резистор в цепи коллектора является нагрузкой. Установить значения элементов, полученные в предварительном расчете.

2) C помощью элемента Param из библиотеки SPECIAL.slb определить сопротивление резистора Rн как глобальный параметр RVAR. Установить пределы изменения RVAR, полученные в предварительном расчете.

3) С помощью режимов DC Sweep и Parametric построить и скопировать в отчет нагрузочную характеристику схемы, изменяя сопротивление нагрузочного резистора.

4) По результатам моделирования рассчитать параметры эквивалентного генератора тока (схема Нортона).

Рис. 2.5. Простейший источник тока.

2. Исследование отражателя тока на рис. 2.6.

1) Собрать схему токового зеркала (рис. 2.6). Установить значения элементов, полученные в предварительном расчете.

2) С помощью режимов DC Sweep и Parametric построить и скопировать в отчет нагрузочную характеристику схемы, изменяя сопротивление нагрузочного резистора.

3) Рассчитать и записать в отчет параметры эквивалентного генератора тока (схема Нортона).

Рис. 2.6. Отражателя тока.

3. Исследование модифицированного отражателя тока (токовое зеркало Уилсона на рис. 2.7).

1) Собрать схему токового зеркала (рис. 2.7). Установить значения элементов, полученные в предварительном расчете.

2) С помощью режимов DC Sweep и Parametric построить и скопировать в отчет нагрузочную характеристику схемы, изменяя сопротивление нагрузочного резистора.

3) Рассчитать и записать в отчет параметры эквивалентного генератора тока (схема Нортона).

Рис. 2.7. Токовое зеркало Уилсона.

4. Исследование токового зеркала Видлара (рис. 2.8).

1) Собрать схему токового зеркала (рис. 2.8). Установить значения элементов, полученные в предварительном расчете.

2) С помощью режимов DC Sweep и Parametric построить и скопировать в отчет нагрузочную характеристику схемы, изменяя сопротивление нагрузочного резистора.

3) Рассчитать и записать в отчет параметры эквивалентного генератора тока (схема Нортона).

Рис. 2.8. Токового зеркала Видлара.

Контрольные вопросы и задания

1. Для чего используют транзисторные источники тока в аналоговых интегральных схемах?
2. В каком режиме (активном, отсечки или насыщения) должен работать транзистор в схеме источника тока на рис. 2.1?
3. Выделите участок нагрузочной характеристики схемы на рис. 2.1, соответствующий активному режиму работы транзистора.
4. Выделите участок нагрузочной характеристики схемы на рис. 2.1, соответствующий режиму насыщения транзистора.
5. В каком режиме (активном, отсечки или насыщения) работает транзистор VТ1 в схеме токового зеркала?
6. Как называют включение транзистора VT1 в схеме на рис. 2.2?
7. Выделите участок нагрузочной характеристики схемы на рис. 2.2, соответствующий активному режиму работы транзистора VT2.

Лабораторная работа №3

Тема работы:Усилительный каскад на МОП-транзисторе, включенном по схеме с общим истоком.

Цель работы: Исследование характеристик усилительного каскада на МОП-транзисторе.