Прецизионное токовое зеркало и УНЧ на его основе

Приведены варианты схем прецизионных токовых зеркал на биполярных и полевых транзисторах с двумя ветвями нагрузок и единой модифицированной токозадающей цепью. Показана возможность использования токовых зеркал в качестве усилителей низкой частоты.

Токовое зеркало или токовый отражатель представляет собой трехполюсник, имеющий вход и выход, в котором изменение выходного тока прямо пропорционально изменению тока входного [1, 2].

26 мая 1965 г. инженер американской компании Fairchid Camera and Instrument Corporation Роберт Джон (Боб) Видлар/Уайдлер (Robert John Widlar, 1937–1991) предложил первую схему токового зеркала – «Low-value current source for integrated circuits» (токовое зеркало Видлара), Рисунки 1а, 1б [1, 3].

Рисунок 1.	Токовые зеркала по патентам: а) Видлара [3]; б) Видлара с компенсацией эффекта Эрли; в) Уилсона [4]; г) Уилсона, каскодное включение транзисторов [4]; д) каскодное токовое зеркало на четырех транзисторах [5].

8 февраля 1968 г. инженер американской корпорации Tektronix Джордж Роберт Уилсон (George Robert Wilson) усовершенствовал токовое зеркало Видлара, использовав каскодное включение транзисторов – «Current regulator controlled by voltage across semiconductor junction device» (токовое зеркало Уилсона), Рисунки 1в, 1г [1, 4].

Первая, наиболее простая схема токового зеркала, Рисунок 1а, не отличалась высокой степенью совершенства. Еще в 1952 г. американский инженер-электрик Джеймс (Джим) М. Эрли (James M. Early, 1922–2004) экспериментально обнаружил эффект модуляции ширины базы биполярного транзистора (эффект Эрли, Early effect) – напряжение эмиттер-база менялось при изменении напряжения на коллекторе транзистора. За счет проявления эффекта Эрли выходной ток токового зеркала Видлара заметно изменяется при изменении выходного напряжения.

Компенсировать эффект Эрли возможно за счет включения в эмиттерные цепи транзисторов резисторов равного номинала, Рисунок 1б. Токовое зеркало Уилсона, Рисунки 1в, 1г, обеспечивает более высокую степень постоянства выходного тока: благодаря транзистору VT2 напряжение на аноде диода VD1, Рисунок 1в, или, соответственно, коллекторе транзистора VТ3, Рисунок 1г, фиксировано и не влияет на выходной ток. Наилучшим среди токовых зеркал является каскодное токовое зеркало, выполненное на четырех транзисторах, Рисунок 1д [5].

При сравнительном анализе классических схем токовых зеркал отчётливо заметно то, что они сравнительно удовлетворительно работают в ограниченной области напряжений, обычно от 0.8 до 5 В. Наиболее совершенное токовое зеркало, Рисунок 1д, способно корректно работать до напряжений в несколько десятков вольт. Недостатком рассмотренных выше токовых зеркал, Рисунки 1а–1д, является то, что при случайном коротком замыкании токозадающего резистора R1 токовое зеркало выходит из строя.

Рисунок 2.	Прецизионное токовое зеркало на биполярных транзисторах.

На Рисунках 2 и 3 приведены схем прецизионных токовых зеркал с двумя ветвями нагрузок и единой модифицированной токозадающей цепью. Подобное техническое решение в упрощенном его варианте встречается в составе популярной микросхемы 741. В токовом зеркале, Рисунок 2, используются комплементарные транзисторы структуры p-n-p и n-p-n, помещенные в равные температурные условия. Таким образом, устройство содержит два встречно-последовательно включенных токовых зеркала, выполненных на транзисторах разной проводимости, причем резистор R_VAR, задающий ток нагрузки, у них общий, а цепи нагрузок разнесены.

Рисунок 3.	Прецизионное токовое зеркало на полевых транзисторах.

В эмиттерных цепях транзисторов включены резисторы относительно большого сопротивления, что позволяет снизить влияние эффекта Эрли на выходные токи. Токовое зеркало, Рисунок 2, в отличие от каскодного токового зеркала, Рисунок 1д [5], начинает работать при напряжении питания от 0.4 В и выше. Объясняется это тем, что для корректной работы токового зеркала, Рисунок 1д, потребно напряжение смещения на базах транзисторов VT1, VT2 относительно общей шины питания не менее 0.78 В. Для токового зеркала, Рисунок 2, в силу схемотехнических особенностей и с учетом ВАХ полупроводниковых переходов в области малых напряжениях смещений равенство токов токозадающей цепи и цепей нагрузок наблюдается уже при напряжении питания выше 0.4 В. Минимальный ток в этих цепях при таком напряжении и R_VAR = 1 МОм равен 0.4 мкА.

Токовое зеркало, Рисунок 2, при напряжении питания 100 В (предел ограничен свойствами используемых транзисторов) и регулировке R_VAR в пределах от 0 до 1 МОм обеспечивает выходные токи от 0.1 до 5 мА при максимальном сопротивлении нагрузки 10 кОм.

Токовое зеркало, Рисунок 3, выполнено на MOSFET VT1, VT2 ZVP3308 и VT3, VT4 2N7071. Зеркало работает в диапазоне питающих напряжений от 7 до 60 В и обеспечивает ток в нагрузке сопротивлением до 8 кОм при регулировке R_VAR от 0 до 1 МОм от 0.05 до 3.5 мА.

На Рисунке 4 показана возможность использования прецизионного токового зеркала на биполярных транзисторах в качестве усилителя низкой частоты. Усилитель кроме транзисторов содержит минимум деталей. В качестве модулятора тока через токозадающую цепь зеркала использован транзистор VT3 BC547C. Усилитель при работе на нагрузку R_Н1 сопротивлением 1 кОм обеспечивает коэффициент передачи 42.7 дБ, имеет полосу пропускания на уровне –3 дБ от 6 Гц до 40 МГц и коэффициент нелинейных искажений на частоте 1 кГц 0.18%.

Рисунок 4.	Усилитель низкой частоты на основе прецизионного токового зеркала.

Гораздо более скромные результаты получены на втором выходе – R_Н2, что объясняется неидеальностью выбора согласованных пар p-n-p и n-p-n транзисторов. При тех же условиях усилитель имеет коэффициент передачи 39.1 дБ, полосу пропускания на уровне –3 дБ от 6 Гц до 23 МГц и коэффициент нелинейных искажений на частоте 1 кГц порядка 4%.

Литература

1. Шустов М.А. История электричества. – Москва; Берлин: Директ-Медиа, 2019. – 567 с.
2. Шустов М.А. Основы силовой электроники. – СПб.: Наука и Техника, 2017. – 336 с.; 2019. – 336 с.
3. Патент США № 3320439. МКИ G05F 3/30. Низковольтный источник тока для интегральных схем / Р.Дж. Видлар. Заявлен 26.05.1965. Выдан 16.05.1967.
4. Патент США № 3588672. МКИ G05F 1/56. Регулятор тока, контролируемый напряжением на полупроводниковом переходе / Дж.Р. Уилсон. Заявлен 08.02.1968. Выдан 28.06.1971.
5. Camenzind H. Designing Analog Chips. – Virtualbookworm.Com Publishing, Incorporated, 2005. – 242 p.

Материалы по теме

1. Datasheet Microchip 2N7000
2. Datasheet Siliconix 2N7071
3. Datasheet Diodes ZVP3306A