Министерство высшего и среднего специального образования республики узбекистан ташкентский государственный технический

1.2. Стабилизация рабочих режимов схем параметрическим методом

Главная особенность интегральных микросхем (ИМС) связана с тем, что все элементы расположены друг от друга на очень близком расстоянии (<10мкм). Поэтому электрические параметры элементов коррелированны, то есть пропорциональны (в частном случае равны) друг другу и корреляция сохраняется при изменении температуры, питающих напряжений и старении [70÷100]. Это свойство позволило создать высокоточные структуры генераторов стабильного тока (ГСТ) с параметрами, не реализуемыми в дискретной транзисторной схемотехнике. ГСТ в микросхемотехнике реализуется на основе дрейфовых биполярных транзисторов структуры n-р-n, математическая модель входных характеристик которых определяется уравнением (1.3) или (1.4). Наиболее простая схема реализации ГСТ представлена на рис. 1.6. В этой схеме R_н – эквивалентное сопротивление элемента цепи питаемой от ГСТ, VT2 – транзистор, исполняющий функцию повторителя тока, протекающего по транзистору VT1 (опорного тока), R- резистор, задающий значение опорного тока и опорного напряжения смещения база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2.

Поскольку в транзисторе VT2 задается не ток базы, а напряжение эмиттер-база, то его свойства соответствуют схеме включения с ОБ.

Рис. 1.6. Двухтранзисторная схема ГСТ.

Рис.1.7. Трехтранзисторная схема ГСТ.

Как известно, в схеме с ОБ в активном режиме динамическое сопротивление близко к бесконечности и поэтому ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе.
В работе [32] показано, что ток I₂ практически равен току I₁, определяемому значениями Е_П1 и R:


I₂ = I₁ - 2I_Б2 ( 1.5)

Ток базы меньше тока коллектора в 50-100 раз. Поэтому с достаточной точностью можно считать, что входной I₁ и выходной I₂ токи равны. При этом получаемая ошибка не превышает 2-4%. Следовательно, выходной ток I₂ в цепи R_Н, какой бы она не была будет повторять входной ток как по величине, так и по направлению. Что касается величины входного тока, то она с достаточно большой точностью равна I₁=Е _П1/ R _.

Стабильность тока I₁ обеспечивается использованием стабилизированного источника питания Е_П1. Однако в этой схеме ГСТ не обеспечивается достаточная температурная стабилизация тока I₂, так как ток I_Б2 в довольно сильной степени зависит от температуры. Для обеспечения температурной стабильности тока I₂ используются более сложные схемы, например, трехтранзисторная схема, приведенная на рис. 1.7. В технической литературе эта схема получила наименование токового зеркала Уилсона. Высокое значение дифференциального сопротивления ГСТ Уилсона обусловлено тем, что управляющий транзистор VT2 cам управляется током эмиттера, задаваемым транзистором VT3, а не напряжением на эмиттерном переходе как в случае рис 1.6. Ток этого транзистора не может измениться при изменении значения R_Н. Соответствующим образом изменяется при этом значение U_БЭ2. Так, например, уменьшение R_Н влечет возрастание напряжения коллектор-база, что в транзисторе с заданным значением напряжения база-эмиттер неминуемо приведет к возрастанию тока эмиттера и тока коллектора. В транзисторе же с заданным током эмиттера увеличение напряжения коллектор-база приведет к соответствующему уменьшению напряжения база-эмиттер, а токи останутся прежними.
Изменение температуры так же практически не сказывается на соотношении между токами I₂ и I_1. Поскольку U_БЭ1= U_БЭ3 то изменение температуры не может изменить значения I_Э3, если значение I_Э1 сохраняется неизменным.
Легко видеть, что


I₁– I_Б2 + I_Б1= I_Э1, I₂ + I_Б2 – I_Б1= I_{Э3 .} ( 1.6)
От температуры существенно зависят токи баз. Но в (1.6) входит разность токов баз, которая при идентичности транзисторов будет представлять величину второго порядка малости.
Для исследования зависимостей I₂=f(Е_П) и I₂=f(R_Н) на основе математической модели разработана компьютерная моделирующая программа. На рис.1.8 (а÷г) представлены результаты моделирования двухтранзисторной и трехтранзисторной схем ГСТ при следующих параметрах: b_Э=31,56В^-1; β=106; ; χ=0,619В^-2; μ=0,329В^-1; Е_П1=12В; I_Э3=1,5мА; lnI₀= –20,81.
Достоинством схем на транзисторах, управляемых током эмиттера, является их исключительно высокая стабильность даже при очень больших токах. ГСТ Уилсона обладает практически бесконечным дифференциальным сопротивлением при любых допустимых значениях тока, тогда как ГСТ подобный рис.1.6 такими свойствами обладает лишь при крайне низких значениях тока [70÷105].

а)

б)
в)
г)


Рис.1.8. Зависимость тока ГСТ от величин напряжений источников питания и сопротивлений нагрузки для двухтранзисторной (а,б) и трехтранзисторной (в,г) схем.