Источник опорного напряжения улучшает характеристики полевого транзистора

Обычный источник тока на основе полевого транзистора с p-n переходом (JFET), показанный на Рисунке 1а, имеет средний выходной импеданс и большой производственный разброс напряжения отсечки V_P и начального тока стока I_DSS. Эти производственные разбросы ограничивают начальную точность установки тока, которую может иметь схема при фиксированном значении R₁. Большинство пользователей таких источников тока отбирают V_P и I_DSS для каждой партии JFET, а затем выбирают R₁, решив сначала квадратное уравнение

относительно напряжения затвор-исток V_GS, а затем вычисляя ток источника I_SRC по формуле

После завершения этих привязанных к производственной партии вычислений ошибка установки тока может составлять менее ±15%. Помимо начальной погрешности при фиксированной температуре окружающей среды, дополнительную ошибку вносит температурная зависимость напряжения V_GS, добавляющая дрейф выходного тока, величина которого составляет 0.3%/°C. Температурная зависимость V_GS является функцией как отрицательного температурного коэффициента I_DSS, обусловленного изменением подвижности электронов, так и положительного температурного коэффициента V_P. Поэтому напряжение V_GS имеет одну рабочую точку I_D, в которой его температурный коэффициент равен нулю, но, вероятнее всего, I_D будет не тем током, который требуется от источника. При используемых обычно резисторах с допуском 1% и температурном коэффициенте 25 ppm/°C вклад R₁ в любые ошибки установки тока будет минимальным. Допустимое входное напряжение источника тока находится в диапазоне от V_GS до B_VDSS. (Здесь B_VDSS – пробивное напряжение затвор-исток). Выходное сопротивление R_O этого источника тока равно приблизительно 1 МОм. Увеличить R_O примерно до 10 МОм можно путем добавления еще одного JFET в каскодном включении.

Рисунок 1.	Обычный источник тока на основе JFET (а) имеет среднее выходное сопротивление. Составная схема, состоящая из источника опорного напряжения и JFET (б), отличается более высоким выходным сопротивлением, лучшей точностью и меньшим температурным дрейфом.

Напротив, в составной схеме на Рисунке 1б выходное сопротивление улучшается за счет опорного напряжения микросхемы, добавляемого к полевому транзистору. Ток источника I_SRC равен выходному напряжению микросхемы IC₁, деленному на сопротивление R₁, плюс небольшой земляной ток IC₁ (50 мкА). Хороший коэффициент подавления пульсаций питания микросхемы LM4130 полностью компенсирует любые вариации напряжения V_GS полевого транзистора. Ток от V+ проходит через n-канальный JFET (от стока к истоку) на вход питания микросхемы IC₁, а затем через выход V_REF и резистор R₁ возвращается в V–. Ток затвора транзистора Q₁ находится в диапазоне пикоампер. Напряжение V_GS транзистора, равное примерно 1.2 В, поддерживает смещение IC₁ на уровне, значительно превышающем падение напряжения на ее проходном элементе.

На Рисунке 2 показаны зависимости тока I_SRC от напряжения V_IN для простого источника на JFET и для составного источника тока. Наклон этих двух рабочих графиков представляет собой величину, обратную выходному сопротивлению. Составная схема имеет выходное сопротивление более 200 МОм, тогда как выходное сопротивление схемы, состоящей только из JFET, равно 0.2 МОм.

Рисунок 2.	Составная конфигурация снижает зависимость ISRC от VIN.

В меньшей степени, чем выходное сопротивление, схема на Рисунке 1б также улучшает начальную точность тока I_SRC. Точность установки тока I_SRC определяется компонентами IC₁ и R₁. Оба этих компонента доступны в версиях, имеющих точность, по крайней мере, 0.1%. Однако земляной ток 50 мкА микросхемы IC₁ вносит смещение в I_SRC, что необходимо учесть в расчетах. Практическим ограничением точности I_SRC является вариация земляного тока микросхемы IC₁, составляющая ±7 мкА. В Таблице 1 показаны значения практической точности, которой можно достичь для ряда значений I_SRC.

Таблица 1.	Влияние сопротивления R1 на точность ISRC
ISRC (мА) R1 (кОм) Диапазон погрешностей (%) Диапазон температурных коэффициентов (ppm/°C) 4.066 0.51 ±0.4 ±75 2.098 1 ±0.6 ±95 1.074 2 ±1.0 ±135 0.255 10 ±3.0 ±380 0.126 27 ±6.0 ±980

Рисунок 3 позволяет сравнить температурные характеристики источников тока. Опять же, при I_SRC меньше 200 мкА преобладающий вклад в погрешность вносят вариации земляного тока IC₁. Температурные изменения земляного тока микросхемы IC₁ укладываются в диапазон ±5 мкА.

Рисунок 3.	Составная конфигурация также слегка снижает зависимость ISRC от температуры.

Входные напряжения составной схемы могут находиться в диапазоне от V_GS + 2.1 В до B_VDSS + 5.5 В или примерно от 3.5 до 36 В. В случае превышения допустимого входного напряжения выходной ток падает до микроамперного уровня из-за разрушения КМОП структур микросхемы LM4130. Составную конфигурацию можно усовершенствовать, включив два JFET каскодно, что увеличит выходное сопротивление примерно до 1 ГОм и расширит диапазон входных напряжений V_IN более чем до 70 В.

Материалы по теме

1. Datasheet National Semiconductor LM4130
2. Datasheet ON Semiconductor MMBF4393