Токовые зеркала в транзисторах с биполярным переходом (ТБП)[1]
Биполярный транзистор VS токовое зеркало ТБП
Часто используемой схемой, использующей транзистор с биполярным переходом, является так называемое токовое зеркало, которое служит простым регулятором (стабилизатором) тока, подающим почти постоянный ток на нагрузку в широком диапазоне сопротивлений нагрузки.
Мы уже знаем, что в транзисторе, работающем в активном режиме, коллекторный ток равен базовому току, умноженному на коэффициент β. Ещё нам известно, что соотношение между коллекторным током и эмиттерным током называется α. Поскольку коллекторный ток равен базовому току, умноженному на β, а эмиттерный ток является суммой токов базы и коллектора, α можно математически вывести из β. Если вы примените немного алгебры, то обнаружите, что α = β / (β + 1) для любого транзистора.
Мы уже видели, как поддержание постоянного тока базы через активный транзистор приводит к регулированию коллекторного в тока соответствии с коэффициентом β. Что ж, соотношение α работает аналогично: если ток эмиттера остаётся постоянным, ток коллектора будет оставаться на стабильном регулируемом значении, пока транзистор имеет достаточное падение напряжения между коллектором и эмиттером, чтобы поддерживать его в активном режиме. Следовательно, если у нас есть способ поддерживать постоянный ток эмиттера в транзисторе, транзистор будет работать как регулятор коллекторного ток, поддерживая его на постоянном значении.
Помните, что соединение база/эмиттер в ТБП – это не что иное, как P-N-переход (фактически, это диод), и что «уравнение диода» определяет, сколько тока будет проходить через P-N-переход, учитывая прямое падение напряжения и температуру перехода:
ID = IS(eqVD/NkT − 1)
Где:
ID = ток, проходящий через диод (Ампер) IS = ток насыщения диода (Ампер) e = постоянная Эйлера (≈ 2,718281828) q = заряд электрона (1,6 × 10-19 кулона) VD = напряжение на диоде (Вольт) N = коэффициент «неидеальности» или «эмиссии» (обычно равен от 1 до 2) k = постоянная Больцмана (1,38 × 10-23)T = температура перехода (Кельвин)
Если и напряжение перехода, и температура поддерживаются постоянными, то и ток P-N-перехода будет постоянным. Следуя этой логике, если мы будем поддерживать напряжение база/эмиттер транзистора постоянным, то его эмиттерный ток будет постоянным при постоянной температуре:
Рис. 1. Константа VБЭ дает постоянный IБ, постоянный IЭ и постоянный IК.
Этот постоянный эмиттерный ток, умноженный на постоянное отношение α, даёт постоянный коллекторный ток, проходящий через RНагрузка, если доступно достаточно напряжения батареи, чтобы транзистор оставался в активном режиме при любом изменении сопротивления RНагрузка.
Чтобы поддерживать постоянное напряжение на переходе база/эмиттер транзистора, используйте диод с прямым смещением, установив постоянное напряжение примерно 0,7 В и подключив диод параллельно переходу база/эмиттер:
Рис. 2. Диодный переход на 0,7 В поддерживает постоянное напряжение базы и постоянный ток базы.
Падение напряжения на диоде, вероятно, не будет ровно 0,7 вольт. Точная величина прямого напряжения на диоде зависит от силы тока, проходящего через диод и температуры диода, и все это в соответствии с «уравнением диода». Если сила тока увеличивается (скажем, за счёт уменьшения сопротивления RСмещение), падение напряжения на нём немного увеличится, увеличивая падение напряжения на переходе база/эмиттер транзистора, что увеличит эмиттерный ток в той же пропорции, если предположить, что P-N-переход диода и переход база/эмиттер транзистора хорошо согласованы друг с другом. Другими словами, эмиттерный ток транзистора будет почти равным току диода в любой момент времени. Если вы измените ток диода, изменив значение сопротивления RСмещение, то эмиттерный ток транзистора будет следовать этой же линии, потому что эмиттерный ток описывается тем же уравнением, что и ток диода, и оба P-N-перехода испытывают одинаковое падение напряжения.
Помните, что коллекторный ток транзистора почти равен эмиттерному, так как коэффициент α типичного транзистора почти равен единице (= 1). Если у нас есть контроль над эмиттерным током транзистора, устанавливая ток диода с помощью простой регулировки резистора, то мы также можем контролировать и коллекторный ток транзистора. Другими словами, коллекторный ток «отражает» ток диода, повторяет его изменения, как зеркальное отображение копирует любые движения оригинала.
Таким образом, ток через резистор RНагрузка функционально зависит от тока, устанавливаемым резистором RСмещение, причём эти два значения почти равны. Это и есть назначение схемы токового зеркала: регулировать ток через нагрузочный резистор путём удобной регулировки значения RСмещение. Ток, проходящий через диод, описывается простым уравнением: напряжение источника питания минус напряжение диода (обычно имеет почти постоянное значение), делённое на сопротивление RСмещение.
Чтобы лучше соответствовать характеристикам двух P-N-переходов (диодного перехода и перехода база/эмиттер транзистора), вместо обычного диода можно использовать транзистор, как показано на рисунке 3.а:
Рис. 3. Схемы – токовые зеркала.
Поскольку температура является значимым фактором в «уравнении диода», и мы хотим, чтобы оба P-N-перехода вели себя одинаково во всех рабочих условиях, мы должны поддерживать два транзистора при одинаковой температуре. Это легко сделать с помощью дискретных компонентов, склеив корпуса двух транзисторов по принципу «спина к спине». Если транзисторы производятся вместе на едином кремниевом кристалле (в виде так называемой интегральной схемы или далее сокращённо ИСКурсивное начертание), разработчики должны располагать два транзистора поближе друг к другу, чтобы облегчить передачу тепла между ними.
Схема токового зеркала, показанная с двумя NPN-транзисторами на рисунке 1.а выше, иногда называется токопринимающей, потому что регулирующий транзистор отводит ток от нагрузки к «земле» («втекающий» ток), а не заставляет его течь от положительного полюса батареи к нагрузке («вытекающий» ток). Если мы хотим иметь заземлённую нагрузку и схему источника тока с зеркалом, мы можем использовать транзисторы PNP, как на рисунке выше 3.б.
Хотя в ИС можно использовать и резисторы, изготовить её из транзисторов проще. Разработчики ИС избегают использования некоторых резисторов, заменяя нагрузочные резисторы источниками тока. Схема, подобная операционному усилителю, построенная из дискретных компонентов, будет иметь несколько транзисторов и много резисторов. Версия этой же цепи в виде ИС будет иметь много транзисторов и несколько резисторов. На рисунке ниже одно опорное напряжение (Q1) управляет несколькими источниками тока: Q2, Q3 и Q4. Если Q2 и Q3 – транзисторы с одинаковой площадью, токи нагрузки IНагрузка будут равны. Если нам нужна нагрузка 2 × I, то стоит запараллелить Q2 и Q3. А ещё лучше изготовить один транзистор, скажем Q3, с площадью, в два раза превышающую чем у Q2. Тогда ток I3 будет в два раза больше I2. Другими словами, ток нагрузки зависит от площади транзистора.
Рис. 4. Несколько токовых зеркал могут работать от одного источника напряжения (Q1 - RСмещение).
Обратите внимание, что для нескольких токовых зеркал принято проводить линию базового напряжения прямо через символы транзисторов! Или как в случае с Q4 на рисунке 4 выше два источника тока связаны с одним символом транзистора. Нагрузочные резисторы изображены почти невидимыми, чтобы подчеркнуть тот факт, что в большинстве случаев их нет. Нагрузкой часто является другая (не обязательно одна, может и несколько) транзисторная схема, скажем, пара эмиттеров дифференциального усилителя, например Q3 и Q4 в разделе «Простой операционный усилитель» главы 8 «Операционные усилители». Часто коллекторная нагрузка транзистора представляет собой не резистор, а токовое зеркало. Например, коллекторная нагрузка коллектора Q4 (об этом тоже будет рассказано в главе 8) является токовым зеркалом (Q2).
В качестве примера токового зеркала с несколькими коллекторами выходы см. Q13 в операционном усилителе модели 741 (всё в той же 8-й главе). Выходы токового зеркала Q13 заменяют резисторы в качестве нагрузки коллектора для Q15 и Q17. Из этих примеров видно, что токовые зеркала предпочтительнее резисторов в интегральных схемах в качестве нагрузки.
Итог
Токовое зеркало представляет собой транзисторную схему, в которой ток регулируется через сопротивление нагрузки, точку стабилизации устанавливает простая регулировка резистора.
Для точной работы транзисторы в цепи токового зеркала должны поддерживаться при одной и той же температуре. При использовании дискретных транзисторов для этого можно склеить их корпуса.
В основном, цепи токового зеркала используются в двух случаях: 1) если нужна конфигурация с отводом тока, когда регулирующий транзистор соединяет нагрузку с «землёй»; 2) если нужна такая конфигурация с источником тока, в которой регулирующий транзистор подключает нагрузку к положительному выводу источника питания постоянного тока.
