Каскодная пара полевых транзисторов улучшает характеристики источника тока

Texas Instruments LM4132

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017

Clayton Grantham

EDN

Светодиодные драйверы MEAN WELL для систем внутреннего освещения

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.

Каскодная пара полевых транзисторов улучшает характеристики источника тока
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

ID – ток стока,
IDSS – ток насыщения
VGS – напряжение затвор-исток,
VP – напряжение отсечки.

Предположим, что выходное напряжение IC1 не меняется и равно 1.8 В. Поскольку выходное напряжение управляет затвором транзистора Q2, входное напряжение VIN 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 VREF 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 VIN, VREF и VGS(Q2), устанавливает ток стока Q2 в равновесное значение, определяемое его передаточной характеристикой. Представляющий собой сумму тока VREF/R1 и «собственного» внутреннего тока IGND 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.

Каскодная пара полевых транзисторов улучшает характеристики источника тока
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 ISOURCE × R2. Наибольшее напряжение питания схемы не должно превышать значения ISOURCE × 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

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: JFET cascode boosts current-source performance

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

9 предложений от 9 поставщиков
МИКРОСХЕМА Источники опорного напряжения
ЗУМ-СМД
Россия
LM4132BMF-2.5/NOPB
Texas Instruments
189 ₽
Кремний
Россия и страны СНГ
LM4132DMF-2.0/NOPB
по запросу
LM4132EMF-4.1
Texas Instruments
по запросу
LifeElectronics
Россия
LM4132AMF-4.1
Texas Instruments
по запросу
Как быстро и эффективно спроектировать источник питания
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя