В статье рассказано о применении структур токового зеркала с полевыми транзисторами в усилителях постоянного и переменного тока в качестве генераторов стабильного или управляемого тока, а также в некоторых других электронных узлах.

Различные по сложности варианты токового зеркала (ТЗ), конструируемые на полевых транзисторах с изолированным затвором (далее ПТ), можно использовать при проектировании различных узлов. Структуры "токового транзистора", предложенные в, имеют достаточно линейные характеристики в широком интервале действующих в цепи тока и напряжения, поэтому могут найти применение в различных электронных устройствах с полевыми транзисторами, как, например, в линейных усилителях переменного и постоянного тока, стабилизаторах напряжения, датчиках тока. Рассмотрим достоинства некоторых из них подробнее.

Токовые зеркала на ПТ, способные работать в расширенном интервале рабочей температуры, находят применение в усилителях постоянного и переменного тока. Такие усилители с повышенной температурной стабильностью имеют небольшой коэффициент передачи (усиления) тока, обычно находящийся в интервале 10>КТ>1. Для задач межкаскадного согласования используют токовые зеркала с коэффициентом передачи Кт = 1. Для случаев, когда ставится задача ответвить часть тока сигнала от основного канала, подойдет каскад с Кт< 1.

Усилительный каскад, выполненный на основе токового зеркала. Он эффективно работает в режиме класса А. Этот "токовый транзистор", условно выделенный штрихпунктирной линией как интегральная структура, управляется, как и биполярный, током и при согласованных характеристиках полупроводниковых приборов имеет малый коэффициент нелинейных искажений. Для оптимальной работы каскада необходимо выполнить условие равенства напряжений сток исток транзисторов VT1 и VT2. Действительно, первый транзистор имеет одинаковое напряжение на стоке и затворе.

Второй может иметь на стоке различное напряжение, что косвенно влияет на параметры на крутизну преобразования каскада и пороговое напряжение. В результате каскад тоже может проявлять незначительную нелинейность, что можно заметно снизить, используя низкоомную нагрузку при сближении значений напряжения сток исток транзисторов VT1 и VT2.

Источник GU1 должен обеспечивать фиксированное напряжение, равное сумме напряжений на эмиттерном переходе транзистора VT3 и на стоке транзистора VT1, которое для ПТ с вертикальным каналом оказывается в интервале 3,5...4,5 В. Для получения в каскаде наименьших нелинейных и тепловых искажений это напряжение при больших токах стока выбирают равным 5 В.

Управляемые генераторы тока

Для достижения линейности характеристики "токового транзистора" необходимо входной сигнал преобразовать в ток. Для этой цели хорошо подходит управляемый генератор тока.

Генератор тока по схеме на рис. 3 выполнен на биполярном транзисторе VT1, управление которым осуществляется через внешнюю цепь источника 1упр. Если коэффициент передачи по току п21э транзистора стабилен в рабочем интервале выходного тока, то каскад работает почти без искажений в широкой полосе частот.

"Токовым транзистором" можно управлять, применяя в качестве усилительного элемента токовое зеркало на комплементарных транзисторах. Отличительная особенность изменение фазы напряжения усиливаемого сигнала, что необходимо учитывать при проектировании усилителей.

Схема на рис. 5 отличается от предыдущих двух тем, что управление выходным током производится напряжением, действующим на входе дифференциального каскада.

Некоторые из приведенных здесь схемных решений применяют в операционных усилителях на полевых транзисторах.

Увеличение рабочего тока стабилизаторов напряжения и тока

Стабилизаторы напряжения и тока с применением структуры токового зеркала можно применять как функционально законченные модули, но также они могут входить целиком или частями в состав выходных каскадов УМЗЧ. Покажем особенности интегральных стабилизаторов, умощняемых "токовым транзистором".

Применение усилителей тока приводит к образованию дополнительной цепи, включаемой параллельно интегральному стабилизатору, по которой протекает дополнительный ток к нагрузке. В результате ток, отдаваемый в нагрузку, состоит из двух составляющих тока стабилизатора и тока параллельного канала.

Основным в устройстве является интегральный стабилизатор напряжения А1. Он отдает в нагрузку ток lCT. Через транзистор VT2 протекает ток, потребляемый стабилизатором А1. Токи на входе и выходе стабилизатора напряжения А1 почти равны, поэтому можно считать, что через вход "токового транзистора" протекает выходной ток стабилизатора А1, который усиливается токовым зеркалом в Кт раз, поэтому выходной ток транзистора VT1 = = Кт-1ст. Тогда общий ток, протекающий через нагрузку, составит сумму токов: \н = \гг+ 1ст= 1Ст(Кт + 1).

Вариант схемы умощненного стабилизатора напряжения, используемого в режиме стабилизатора тока. В этой схеме "токовый транзистор" также позволяет получить значение тока, протекающего через нагрузку, в (К+1) раз больше протекающего через стабилизатор А1.

Токовое зеркало как датчик тока

Выбор соотношения площади S кристаллов транзисторов VT1, VT2, при котором достигается уменьшение на выходе входного тока (Svti"Svt2). приводит не к усилению тока структурой, а к его ослаблению. Для такой структуры выполняется условие Кт"1, поэтому она может использоваться для точного формирования тока в заданном интервале значений в каскадах усиления или цепях контроля.

Токовые зеркала как датчики тока пригодны для стабилизации режимов работы в мощных генераторах тока и усилителях, а также полезны в каскадах, находящихся под напряжением для передачи постоянной или переменной составляющей. В качестве примеров подобного применения здесь показаны схемы узлов, в которых используются "электронные шунты".

На рис. 8 изображен фрагмент схемы источника питания со стабилизатором А1. Электронный шунт выполнен на ПТ VT1, VT2. Калибровку миллиамперметра РА1 полному отклонению стрелки можно проводить подбором резистора R1. Увеличение его сопротивления приводит к уменьшению коэффициента передачи тока, в измерительную цепь, достигая значения \2 = 0,01 и менее.

Для создания обратной связи, пропорциональной изменениям переменного тока в цепи питания, конденсатор Сф не используется (он необходим при контроле постоянной составляющей тока). Сигнал обратной связи возникает в виде исходящего тока со стока транзистора VT1. Для получения реакции обратной связи в виде напряжения (с достаточно высокой крутизной преобразования ток-напряжение) в выходную цепь генератора тока следует установить резистор R3. Минимальные потери на электронном шунте можно получить, применяя ПТ с наименьшим пороговым напряжением.

Достаточно разнообразная схемотехника вариантов токового зеркала и токоразностных усилителей, выполняемых на биполярных транзисторах, может быть с успехом использована для применения подобных структур и на ПТ с изолированным затвором.