Вопрос 21. Дифференциальный и синфазный сигнал в дк

Вопрос 22.Источники постоянного тока. Токовые зеркала.

Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток, не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён. В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так. Более того, обычно используемые в быту источники электроэнергии по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока.

Свойства

Идеальный источник тока

Напряжение на клеммах идеального источника тока зависит только от сопротивления внешней цепи  :

Мощность, отдаваемая источником тока в сеть, равна:

Поскольку для источника тока  , напряжение и мощность, выделяемая им, неограниченно растут при росте сопротивления.

Реальный источник тока

Реальный источник тока в линейном приближении может быть описан при помощи внутреннего сопротивления  . Реальный источник представляется как идеальный источник тока, соединенный параллельно со внутренним сопротивлением. Можно показать, что реальный источник тока с внутренним сопротивлением   эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление   и ЭДС  .

Напряжение на клеммах реального источника тока равно

Сила тока в цепи равна

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Примеры

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени ( ) после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) ведёт к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник переменного тока. Следовательно, размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо. Вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки (без отключения линии) эту обмотку предварительно шунтируют.

Применение

Рисунок 2. Генератор тока типа «токовое зеркало», собранный на биполярных транзисторах

Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.

Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:

Источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Применяется в основном для полевых транзисторов и электронных ламп.

Источник тока, управляемый током (ИТУТ). Применяется, как правило, для биполярных транзисторов.

В схеме токового зеркала (рисунок 2) ток нагрузки в правой ветви задается равным эталонному току в левой ветви, так что по отношению к нагрузке R2 эта схема выступает как источник тока.

Обозначения

Существуют различные варианты обозначений источника тока. Наиболее часто встречаются обозначения (a) и (b). Вариант (c) устанавливается ГОСТ[1] и IEC[2]. Cтрелка в кружке указывает положительное направление тока в цепи на выходе источника. Варианты (d) и (e) встречаются в зарубежной литературе. При выборе обозначения нужно быть осмотрительным и использовать пояснения, чтобы не допускать путаницы с источниками напряжения.

Рисунок 3. Обозначения источника тока на схемах

Токовое зеркало — генератор тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз. Токовое зеркало – это схема, предназначенная для копирования через одно активное устройство, контролируя ток в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянный ток на выходе, независимо от нагрузки. «Копируемый» ток может быть и иногда является переменным током. Концептуально, идеальное токовое зеркало — это просто идеальный инвертирующий операционный усилитель, который также меняет направление тока, или это управляемый током источник тока. Токовое зеркало используется для смещения токов и питания активных нагрузок в цепях. Токовые зеркала на транзисторах чрезвычайно широко используются в аналоговых интегральных схемах благодаря своей простоте (требуются всего два согласованных транзистора) и эффективности. Токовые зеркала обычно используются для того, чтобы «скопировать» один управляющий ток на множество каскадов, и тем самым задать их ток покоя.

Биполярный транзистор может быть использован в качестве простейшего преобразователя тока, но его коэффициент передачи сильно зависит от колебаний температуры, стойкости к бета-излучению и т. д. Для устранения этих нежелательных помех токовое зеркало состоит из двух каскадно соединенных «ток — напряжение» и «напряжение — ток» преобразователей, размещёных при одинаковых условиях и имеющих обратные характеристики. Не обязательно, чтобы они были линейными, единственным требованием является их «зеркальность» (например, в транзисторном токовом зеркале ниже они логарифмические и экспоненциальные). Как правило, используются два одинаковых преобразователя, один из которых обращают с помощью отрицательной обратной связи. Таким образом, токовое зеркало состоит из двух каскадных одинаковых преобразователей (первый — обратный, и второй — прямой).

Работа токового зеркала «программируется» путём задания коллекторного тока транзистора T1. Напряжение Uвэ для T1 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор T2, согласованный с транзистором T1 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передаёт в нагрузку такой же ток, что задан на T1. Небольшими базовыми токами можно пренебречь. Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что её диапазон устойчивости по напряжению Ukk за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе. Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток Iпр с помощью резистора. В связи с тем что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падения напряжения на которых мало по сравнению с Ukk, резистор 14,4 кОм формирует управляющий, а следовательно и выходной ток величиной 1 мА. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда:

под рукой есть много согласованных транзисторов,

разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.

Существуют даже безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задаётся с помощью внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал. Такие усилители называются соответственно программируемыми.

Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора T1, напряжение UБЭ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией. Практически ток может изменяться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы. Если же нужен более высококачественный источник тока (чаще всего таких требований не возникает), то подойдёт схема, показанная на рисунке. Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта. Такая схема гораздо лучший источник тока, т.к. в ней изменения напряжения UБЭ, обусловленные изменениями напряжения UКЭ, оказывают пренебрежительно малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

Схема Уилсона

Простое токовое зеркало имеет один существенный недостаток — выходной ток в некоторых пределах меняется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление такой схемы не бесконечно. При заданном токе транзистора напряжение UБЭ, а вместе с ним и ток коллектора, меняется в зависимости от коллекторного напряжения.

Токовое зеркало Уилсона

Данная схема избавлена от описанного выше недостатка и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора фиксирован и не влияет на выходной ток.

Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока

Схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий — в случае использования транзистора n-p-n типа будет передаваться в несколько нагрузок. О том, как эта идея воплощается в жизнь, даёт представленная на рисунке схема. Отметим, что если один из транзисторов – источников тока переходит в режим насыщения (в том случае, например, когда отключается его нагрузка), то база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех его транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить если включить в схему ещё один транзистор. На рисунке представлены два варианта многовыходного токового зеркала. Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляющий ток. При разработке токовых зеркал в интегральных схемах коэффициенты отражения тока задают путём выбора размеров (площадей) эмиттерных переходов. Ещё один способ получения выходного тока, кратного управляющему состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора. Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса — Молла , разность напряжения UБЭ зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисторов отношение коллекторных токов равно отношению плотностей токов. График позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случаеи полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.