в цепи коллектора.Исследование источников тока на биполярных транзисторах
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.
Простейшим источником тока является схема с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току (рис. 2.3.1). Нагрузкой является резистор в цепи коллектора.
Рис. 2.3.1
Ток коллектора
.
Здесь
, 
.
Рассчитать источник тока (рис. 2.3.1), обеспечивающий ток коллектора 
. Напряжение источника питания 
, коэффициент усиления тока базы 
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 
, при котором транзистор остается в активном режиме
.
Выберем 
. При этом напряжение на сопротивлении нагрузки 
.
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. 2.3.2.
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
.
Рис. 2.3.2
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
.
Рассчитать сопротивление резистора 
в схеме токового зеркала на рис. 2.3.2, обеспечивающего выходной ток 
. Напряжение питания 
. Параметры транзисторов одинаковы.
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.
Характеристики отражателя тока на рис. 2.3.2 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. 2.3.3 показана схема источника тока, имеющая значительно лучшие характеристики. Ее называют токовым зеркалом Уилсона.
Рис. 2.3.3 Рис. 2.3.4
Поскольку транзисторы в схеме на рис. 2.3.3 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. 2.3.4. ее называют токовым зеркалом Видлара.
Расчет источника тока на рис. 2.3.1 рассмотрен в примере 1.
Расчет отражателя тока, показанного на рис. 2.3.2, рассмотрен в примере 2.
Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.3.1.
При сборке схем источников тока можно использовать модели n-p-n транзисторов Q2N3904 или Q2N2222 из библиотеки EVAL.slb. Примеры схем можно найти в файлах W2_3_1, W2_3_2 в папке EMF\Labs.