Токовые зеркала
Классическая схема токового зеркала на основе согласованной пары биполярных транзисторов выглядит как показано на рисунке.
Работа токового зеркала «программируется» путем задания коллекторного тока транзистора T1. Напряжение UБЭ для T1 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Т2, согласованный с транзистором Т1 (рекомендуется использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для T1. Небольшими базовыми токами можно пренебречь.
Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен UKK за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе. Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток Iпр с помощью резистора.
В связи с тем, что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падение напряжения на которых мало по сравнению с UKK, резистор 14,4 кОм формирует управляющий, а следовательно, и выходной ток величиной 1 мА. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда: а) под рукой есть много согласованных транзисторов и б) разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.
Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли.
Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т. е. выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора Т2 напряжение UБЭ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией.
Практически ток может изменяться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы, т. е. характеристики такой схемы существенно хуже, чем характеристики рассмотренного выше источника тока с эмиттерным резистором.
Если же нужен более высококачественный источник тока, то подойдет схема, показанная ниже.
Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема – гораздо лучший источник тока, так как в ней изменения напряжения UБЭ , обусловленные изменениями напряжения UКЭ , оказывают пренебрежимо малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.
Токовое зеркало Уилсона
На рисунке ниже представлено еще одно токовое зеркало, обеспечивающее высокую степень постоянства выходного тока.
Транзисторы Т1 и Т2 включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору Т3 потенциал коллектора транзистора Т1 фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания UKK. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе Т1, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором Т2. Транзистор Т3 не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Т1 . В результате в токозадающих транзисторах Т1 и Т2 падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Т3 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным. Транзистор Т3 не обязательно согласовывать с транзисторами Т1 и Т2.
Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока
Схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий ‑ в случае использования транзисторов n‑p‑n‑типа) будет передаваться в несколько нагрузок. Рассмотрим схему ниже.
Отметим, что если один из транзисторов – источников тока переходит в режим насыщения (в том случае, например, когда отключается его нагрузка), то его база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить, если включить в схему еще один транзистор.
Ниже представлены два варианта многовыходного токового зеркала, в которых коэффициент отражения тока отличен от 1:1.
Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляющий ток.
В продаже имеются сборки в виде законченных монолитных схем в удобных транзисторных корпусах типа ТО‑92. Серия TL011 включает схемы, которые обеспечивают отношения 1:1, 1:2, 1:4 и 2:1, при этом диапазон устойчивости выходного напряжения определяется значениями от 1,2 до 40 В. Схема Уилсона обладает хорошими характеристиками источника тока – при постоянном программирующем токе выходной ток увеличивается только на 0,05 % на вольт. К сожалению, эти полезные схемы существуют только на транзисторах n‑p‑n ‑типа.
Еще один способ получения выходного тока, кратного управляющему, состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора.
