Каскодная пара полевых транзисторов улучшает характеристики источника тока

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017

Clayton Grantham

EDN

Многим датчикам, используемым в системах управления производственными процессами, таким как термисторы или тензометрические мосты, требуются точные источники постоянного тока. Добавив один токоизмерительный резистор R₁, вы можете превратить в такой источник микросхему источника опорного напряжения IC₁ (Рисунок 1). Однако на точность и разрешение измерений будут оказывать влияние погрешности источника, зависящие как от R₁, так и от IC₁. И хотя вы можете выбрать прецизионные резисторы, точность которых превосходит точность большинства доступных микросхем опорных источников, доминирующей составляющей ошибки будет погрешность источника опорного напряжения. Несмотря на то, что производители стремятся минимизировать чувствительность опорных источников к температуре и ошибку их выходного напряжения, на точность могут оказывать влияние колебания источника питания, особенно в приложениях управления производственными процессами, которые должны работать в широком диапазоне питающих напряжений.

Рисунок 1.	Пара каскодно соединенных полевых транзисторов уменьшает влияние флуктуаций напряжения питания на точность источника тока.

Пара каскодно соединенных полевых транзисторов с p-n переходом Q₁ и Q₂ образует источник постоянного тока, минимизирующий чувствительность микросхемы источника опорного напряжения к колебаниям питания и расширяющий диапазон рабочих напряжений IC₁ за пределы максимально допустимого уровня 5.5 В. Помимо этого, Q₁ и Q₂ эффективно увеличивают эквивалентное сопротивление источника тока от нескольких мегаом до гигаом. В эквивалентной схеме Нортона это сопротивление включено параллельно идеальному источнику тока.

N-канальный полевой транзистор с управляющим p-n переходом работает в режиме обеднения с максимальным током насыщения стока, когда напряжение между его затвором и истоком рано нулю. В отличие от обедненных MOSFET, которым для открывания канала необходимо смещающее напряжение на затворе, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом по умолчанию открыты, а напряжение на затворе требуется для выключения тока. По мере того, как напряжение затвора становится более отрицательным относительно истока, ток стока полевого транзистора уменьшается, и становится равным нулю при напряжении отсечки. Характер зависимости тока стока полевого транзистора от напряжения затвора приблизительно описывается выражением

где

I_D – ток стока,
I_DSS – ток насыщения
V_GS – напряжение затвор-исток,
V_P – напряжение отсечки.

Предположим, что выходное напряжение IC₁ не меняется и равно 1.8 В. Поскольку выходное напряжение управляет затвором транзистора Q₂, входное напряжение V_IN микросхемы IC₁ равно

Таким образом, напряжение затвор-исток транзистора Q₂ держится на уровне номинального напряжения отсечки 1.2 В и изменяется вместе с небольшими изменениями в источнике тока. При изменении напряжения источника питания от 3 В до более чем 30 В входное напряжение, как мы и ожидали, остается практически постоянным, поскольку V_REF также не меняется. Каскодная конфигурация полевых транзисторов увеличивает сопротивление в эквивалентной схеме Нортона для источника тока до значения, большего, чем сопротивление только источника опорного напряжения или только резистора R₁. Можно использовать и один транзистор, но два существенно увеличивают эффективный импеданс схемы. Заметьте, что микросхема IC₁ не ухудшает точность, поскольку полевые транзисторы поддерживают напряжение на ее входе практически постоянным, позволяя микросхеме эффективно компенсировать как начальный разброс напряжений затвор-исток, так и температурные эффекты, связанные с транзисторами Q₁ и Q₂.

Отрицательная обратная связь в замкнутом контуре Кирхгофа, содержащем V_IN, V_REF и V_GS(Q₂), устанавливает ток стока Q₂ в равновесное значение, определяемое его передаточной характеристикой. Представляющий собой сумму тока V_REF/R₁ и «собственного» внутреннего тока I_GND микросхемы IC₁, ток стока Q₂ остается постоянным. Добавление транзистора Q₁ уменьшает влияние выходного импеданса Q₂ до пренебрежимо малых значений. Регулировка сопротивления R₁ изменяет выходной ток стока в пределах полезного диапазона от 200 мкА до 5 мА, верхняя граница которого зависит от тока насыщения стока Q₂. Если вы выбрали полевой транзистор с бóльшим током насыщения стока, удостоверьтесь, что мощность, рассеиваемая Q₁, не превышает допустимого значения.

Рисунок 2.	При сопротивлениях резистора R1, равных 1 кОм, 750 Ом и 510 Ом, выходные токи составляют примерно 1.8 мА, 2.5 мА и 3.6 мА и практически не меняются в широком диапазоне напряжений источника питания.

Не забывайте, что минимальное напряжение питания схемы должно быть больше суммы минимального напряжения, необходимого для опорного источника, и падения напряжения на датчике I_SOURCE × R₂. Наибольшее напряжение питания схемы не должно превышать значения I_SOURCE × R₂ + 30 В. Например, если схема питает током 2.5 мА мостовой датчик давления R₂ с сопротивлением 1 кОм, диапазон напряжений питания будет ограничен значениями 5.5 В и 32.5 В. Как видно из Рисунка 2, в широком диапазоне напряжений источника питания изменения выходного тока схемы составляют менее 1 мкА.

Материалы по теме