Для чего нужны токовые зеркала в электронике

4.4. Токовое зеркало Уилсона

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток зависит от изменения напряжения на нагрузке. Это связано с проявлением эффекта Эрли. Схема токового зеркала Уилсона, показанная на рис.4.6, позволяет подавить эффект Эрли. Транзисторы VT1 иVT2 включены как и в обычном токовом зеркале. Благодаря транзисторуVT3 потенциал транзистораVT1 фиксирован на уровне U_{к VT1}=U_п–U_{бэ VT2}–U_{бэ VT3}=U_п– 2U_бэ. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзистореVT1, коллектор, которого служит для задания режимов работы схемы. Управляющий токI_убудет равен I_у=U_{к VT1}/R1. Выходной ток определяется транзистором VT2. I_{к VT2} =I_у. Коллекторный ток транзистора (ток нагрузки) VT3 равен току коллектора транзистораVT2, если базовый токVT3 пренебрежимо мал. При изменении величины сопротивления нагрузки изменяется напряжение U_кэтранзистораVT3, а в токозадающих транзисторахVT1 иVT2 напряжения на коллекторах фиксированы. Таким образом устраняется влияние эффекта Эрли на работу схемы. ТранзисторVT3 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку и играет такую же роль, как и в схеме «каскод». ТранзисторVT3 не обязательно должен быть согласован по параметрам с транзисторамиVT1 иVT2.

4.5. Схема с несколькими источниками тока

В аналоговой схемотехнике часто необходимо иметь несколько источников тока. Например в схемах цифро – аналоговых преобразователях нужны разрядные источники тока, взвешенные по двоичному закону. На рис.4.7 показана схема токового зеркала из нескольких источников тока. Рассмотрим работу схемы сначала без транзистора VT1. Вместо него коллектор транзистораVT2 соединен с его базой. На рисунке это соединение показано пунктирной линией. В этом случае имеем обычный источник токовое зеркало. ТранзисторVT2 и резисторR2 служат опорным источником тока для транзисторовVT3 –VT6. Отметим, базы транзисторовVT3 –VT6 соединены между собой и имеют один и тот же потенциал. Кроме того, нижние выводы резисторовR2 –R6 подсоединены к одному источнику отрицательного напряжения питания. Если один из транзисторов – источников тока переходит в режим насыщения ( в том случае, например, когда отключается от нагрузки). то его база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить, если вместо перемычки, показанной на схеме пунктирной линией, включить еще один транзисторVT1. Этот транзистор играет роль усилителя тока, то есть это обычный эмиттерный повторитель. Работу схемы проиллюстрируем примером расчета источника тока со взвешенными по двоичному закону разрядных токов. Пример.ПустьI_у= 1 мА,I₁= 1 мА,I₂= 2 мА,I₃= 4 мА,I₄= 8 мА, а падение напряжения на всех резисторах за исключениемR1, 4 В. Тогда R2 =R3 = 4 В / 1 мА = 4 кОм, R4 = 4 В / 2 мА = 2 кОм, R5 = 4 В / 4 мА = 1 кОм, R6 = 4 В / 8 мА = 0,5 кОм. Если U_п= +10 В и -U_п= -10 В, то падение напряжения наR1 будет равно U_R2= 2U_п-U_R2–U_бэVT1-U_бэVT2= 20 В – 4 В — 1,4 В = 14,6 В. Величина резистора R1 равноR1 =U_R2/I_у= 14,6 В/ 1 мА = 14,6 кОм. Пусть коэффициент βвсех транзисторов будет равен 100, тогда суммарный базовый ток транзисторовVT2 –VT6 равен I_б = (I_у + I₁ + I₂ + I₃ + I₄) / β = ( 1 +1 +2 + 4 + 8) мА / 100 = 0,16 мА. Если бы не было транзистораVT1, токI_учерезR1 был бы на 0,16 мА больше, чем черезVT2. Чтобы уменьшить различие токаI_уи тока транзистораVT2, используют транзисторVT1, уменьшающий ток, который отбирается отI_ув базы транзисторовVT2 –VT6. ЕслиβтранзистораVT1 равно 100, то полный базовый ток, который отбирается отI_ууменьшается до 0,16 мА / 100 = 1,6 мкА. Следовательно разность тока транзистораVT2 иI_усоставит лишь 1,6 мкА или 0,16%.

1. Использование источников стабильного тока для смещения в усили тельных схемах

Рассмотренные схемы источников тока могут быть использованы для задания режима работы транзистора по постоянному току в усилительных схемах, то есть для задания смещения. На рис.4.8 показан пример использования схемы источника «токовое зеркало» для смещения в усилителе с общим эмиттером. Резисторы R_буменьшают влияние переменного входного сигнала на потенциал коллектора токозадающего транзистораVT1. С другой стороныR_бобеспечивает дополнительную обратную связь, что также стабилизирует рабочую точку транзистора. Так при увеличении напряженияU_бэVT1возрастает ток коллектора транзистораVT1, это приводит к уменьшению коллекторного напряжения, что в сою очередь приводит к уменьшению тока базы и снижению напряженияU_бэVT1.

1. Контрольные вопросы

1. Что такое источник стабильного тока?
2. Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника тока?
3. Приведите типовую схему источника стабильного тока. Объясните работу схемы.
4. Чему равно внутреннее сопротивление типовой схемы источника стабильного тока?
5. Как можно повысить внутреннее сопротивление типовой схемы источника стабильного тока? Приведите схему.
6. Нарисуйте схему источника стабильного тока типа «каскод». Какое ее преимущество?
7. Какая особенность схемы источника тока «токовое зеркало»? Приведите схему и объясните ее работу.
8. Приведите схему источника тока «токовое зеркало» на транзисторах. Почему в схеме необходимо использовать согласованную пару транзисторов?
9. Нарисуйте схему токового зеркала Уилсона. Объясните работу схемы. Каковы свойства схемы?
10. Изобразите схему с несколькими источниками тока. В каких случаях следует использовать эту схему?
11. Как можно использовать источники тока для смещения напряжений в усилительных схемах?

Токовое зеркало

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 инвертируюший 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.

Характеристики токового зеркала

Есть три основные характеристики, которые характеризуют токовое зеркало. Первыми из них являются коэффициент передачи (в случае операционного усилителя) или величина выходного тока (в случае постоянного тока CCSШаблон:Какого? источника). Во-вторых, его выходное сопротивление для переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу. Третья спецификация – это минимальное падение напряжения на выходе зеркала, необходимого, чтобы заставить ее работать должным образом. Это минимальное напряжение продиктовано необходимостью поддерживать выходной транзистор зеркала в активном режиме. Диапазон напряжений, в котором работает зеркало, называется диапазоном соответствия, и напряжение, лежащее на разделе между хорошим и плохим поведением, называется диапазоном напряжения. Есть также ряд второстепенных вопросов по работе с зеркалами, например, температурная стабильность.

Практические приближения

Для анализа в режиме малого сигнала токовое зеркало можно приблизить его эквивалентным сопротивлением Нортона. In large-signal hand analysis, текущее зеркало, как правило, просто заменяется идеальным источником тока. Тем не менее, идеальный источник тока не является эквивалентом в нескольких отношениях:

1. он имеет бесконечное сопротивление переменного тока, в то время как реальное зеркало имеет конечное сопротивление
2. он обеспечивает один и тот же ток, независимо от напряжения, то есть, нет никаких требований по диапазону соответствия
3. он не имеет ограничений по частоте, в то время как реальное зеркало имеет свои ограничения из-за паразитных емкостей транзисторов
4. идеальный источник не чувствителен ко внешним эффектам, таким как шум, перепадам напряжения источника питания и допускам на элементы схемы.

Реализация схем токовых зеркал

Пример включения токового зеркала на биполярных транзисторах

Основная идея

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 преобразователей, но характерный обращаются с применением 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), предаёт 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:

1. под рукой есть много согласованных транзисторов
2. 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.

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 Uвэ 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. Так как в ней изменения напряжения Uвэ , обусловленные изменениями напряжения Uкэ , оказывают пренебрежительно малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

Простейшее транзисторное токовое зеркало

Простейшее транзисторное токовое зеркало

Если принять напряжение на переходе база-эмиттер транзистора в качестве входной величины и ток коллектора принять за выходную величину, то транзистор будет действовать как экспоненциальный преобразователь напряжение-ток. Применив отрицательную обратную связь (просто подсоединив к базе и коллектору) транзистор может быть «обратный», и он будет действовать как противоположный логарифмический преобразователь из тока в напряжение; теперь он будет регулировать «выходное» напряжение база-эмиттер так, чтобы преодолеть «входной» ток коллектора.

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 U_БЭ, а вместе с ним и ток коллектора, меняется в зависимости от коллекторного напряжения.

На рисунке приведена схема токового зеркала Уилсона. Эта 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 предаваться 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 U_БЭ 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.

Смотри также

Литература

• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993.—413 с., ил. ISBN 5-03-002337-2.

Ссылки

• Базовые электронные узлы
• Транзисторы

2.14. Токовые зеркала

От схемы смещения с использованием согласованной пары транзисторов легко перейти к так называемому токовому зеркалу (рис. 2 44). Работа токового зеркала «программируется» путем задания коллекторного тока транзистора Т₁ Напряжение U_бэ для Т₁ устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружаюшей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Т₂, согласованный с транзистором Т₁ (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для Т₁. Небольшими базовыми токами можно пренебречь.

Рис. 2.44. Классическая схема токового зеркала на основе согласованной пары биполярных транзисторов. Отметим, что положительное питающее напряжение принято обозначать U_кк, даже в тех случаях, когда используются транзисторы p-n-p — типа.

Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен U_кк 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 I_пр с помощью резистора (рис. 2.45). В связи с тем, что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падение напряжения на которых мало по сравнению с U_кк, 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: а) под рукой есть много согласованных транзисторов и б) разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений. Существуют даже безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задается с помощью одного внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли. Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т.е. выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора Т₂ напряжение U_бэ 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 (рис. 2.46). Практически ток может изменяться приблизительно на 25% в диапазоне устойчивой работы схемы, т. е. характеристики такой схемы существенно хуже, чем характеристики рассмотренного выше источника тока с эмиттерным резистором.

Если же нужен более высококачественный источник тока (чаше всего таких требований не возникает), то подойдет схема. показанная на рис. 2.47. Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема — гораздо лучший источник тока, так как в ней изменения напряжения U_бэ, обусловленные изменениями напряжения U_кэ, оказывают пренебрежимо малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

Рис. 2.47. Улучшенная схема токового зеркала.

Токовое зеркало Уилсона. На рис. 2.48 представлено еще одно токовое зеркало, обеспечивающее высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы Т₁ и Т₂ включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору Т₃ потенциал коллектора транзистора Т₁ фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания U_кк. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе Т₁, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором Т₂. Транзистор Т₃ не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Т₁. В результате в токозадающих транзисторах Т₁ и Т₂ падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Т₃ можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным (аналогичный прием используют при каскодном включении, которое мы рассмотрим позже). Кстати, транзистор Т₃ не обязательно согласовывать с транзисторами Т₁ и Т₂.

Рис. 2.48. Токовое зеркало Уилсона. Влияние изменений напряжения на нагрузке на выходной ток подавлено за счет каскодного включения транзистора Т₃, которое позволяет уменьшить изменения напряжения транзистора Т₁.

Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока. Схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий — в случае использования транзисторов n-p-n — типа) будет передаваться в несколько нагрузок. О том, как эта идея воплощается в жизнь, дает представление схема, изображенная на рис. 2.49. Отметим, что если один из транзисторов — источников тока переходит в режим насыщения (в том случае, например, когда отключается его нагрузка), то его база будет отбирать повышенный ток из обшей линии, соединяющей базы всех транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить, если включить в схему еще один транзистор (рис. 2.50).

Рис. 2.49. Схема токового зеркала с несколькими выходами. Эта схема широко используется для получения нескольких программируемых источников тока.

На рис. 2.51 представлены два варианта многовыходного токового зеркала. Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляющий ток. При разработке токовых зеркал в интегральных схемах коэффициент отражения тока задают путем выбора размеров (площадей) эмиттерных переходов.

Рис. 2.51. Токовые зеркала, в которых коэффициент отражения тока отличен oт 1 : 1.

Фирма Texas Instruments предлагает токовые зеркала Уилсона в виде законченных монолитных схем в удобных транзисторных корпусах типа ТО-92. Серия TL011 включает схемы, которые обеспечивают отношения 1:1, 1:2, 1:4 и 2:1, при этом диапазон устойчивости выходного напряжения определяется значениями от 1,2 до 40 В. Схема Уилсона обладает хорошими характеристиками источника тока — при постоянном программирующем токе выходной ток увеличивается только на 0,05% на вольт — помимо всего она очень недорога (50 центов и дешевле). К сожалению, эти полезные схемы существуют только на транзисторах n-p-n — типа.

Еще один способ получения выходного тока, кратного управляющему, состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора (рис. 2.52). Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса-Молла, разность напряжении U_бэ зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисторов отношение коллекторных токов равно отношению плотностей токов. График на рис. 2.53 позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случае и полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.

Рис. 2.52. Снижение выходного тока с помощью эмиттерного резистора. Отметим, что выходной ток здесь не кратен управляющему.

Рис. 2.53. Зависимость отношения коллекторных токов в согласованных парах транзисторов от разности напряжений база-эмиттер.

Упражнение 2.12. Покажите, что токовое зеркало с неединичным отражением, показанное на рис. 2.52. работает так, как мы описали.

Токовые зеркала (биполярные транзисторы)

Часто используемой схемой на биполярных транзисторах является так называемое токовое зеркало, которые служит в качестве простого стабилизатора тока, обеспечивающего почти неизменный ток через нагрузку в широком диапазоне сопротивлений нагрузки.

Мы знаем, что в транзисторе, работающем в активном режиме, ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент β. Мы также знаем, что отношение тока коллектора к току эмиттера называется коэффициентом α. Поскольку ток коллектора равен току базы, умноженному на β, а ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора, то α может быть математически выведен из β. Если вы упростите несколько формул, то обнаружите, что для любого транзистора α = β/(β+1).

Мы уже видели, как поддержание неизменного тока базы транзистора в активном режиме приводит к стабилизации тока коллектора в соответствии с коэффициентом β. Коэффициент α работает аналогично: если ток эмиттера поддерживается неизменным, ток коллектора будет оставаться на стабилизированном значении, если падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора достаточно, чтобы поддерживать транзистор в активном режиме. Поэтому, если у нас есть способ удерживать постоянным ток эмиттера, то транзистор будет работать, стабилизируя ток коллектора на неизменном значении.

Помните, что переход база-эмиттер биполярного транзистора представляет собой не что иное, как PN переход, подобный диоду, и что «диодное уравнение» показывает величину тока, протекающего через PN переход, с учетом прямого падения напряжения и температуры перехода:

• I_D – ток, проходящий через диод, в амперах;
• I_S – ток насыщения диода, в амперах;
• e – постоянная Эйлера (~2,718281828);
• q – заряд электрона (1,6 × 10-19 кулона);
• V_D – напряжение на диоде, в вольтах;
• N – коэффициент «неидеальности» или «эмиссии» (обычно равен от 1 до 2);
• k – постоянная Больцмана (1,38 × 10-23);
• T – температура перехода в Кельвинах.

Если напряжение и температуру перехода поддерживаются постоянными, то ток PN перехода будет постоянным. По этой причине, если бы мы удерживали напряжение перехода база-эмиттер транзистора постоянным, то ток эмиттера транзистора будет постоянным при постоянной температуре (рисунок ниже).

Этот постоянный ток эмиттера, умноженный на постоянный коэффициент α, дает постоянный ток коллектора через R_нагр, если имеется достаточное напряжение батареи, чтобы поддерживать транзистор в активном режиме для любого изменения сопротивления R_нагр.

Для поддержания постоянного напряжения на переходе база-эмиттер транзистора используется диод в режиме прямого смещения, подключенный параллельно переходу база-эмиттер, что устанавливает постоянное напряжение примерно 0,7 вольта.

Напряжение, падающее на диоде, вероятно, не будет равно точно 0,7 вольта. Точное значение прямого напряжения, падающего на нем, зависит от тока через диод и температуры диода, всё в соответствии с диодным уравнением. Если ток диода увеличивается (например, с помощью уменьшения R_смещ), падение напряжения на нем будет несколько увеличиваться, увеличивая падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, что пропорционально увеличит ток эмиттера, предполагая, что PN переход диода и переход база-эмиттер транзистора хорошо согласованы друг с другом. Другими словами, в любой момент времени ток эмиттера будет точно равен току диода. Если вы измените ток диода, изменив значение сопротивления R_смещ, то ток эмиттера последует за ним, потому что ток эмиттера описывается тем же уравнением, что и ток диода, а падения напряжений на обоих PN переходах равны.

Помните, что ток коллектора транзистора почти равен току его эмиттера, поскольку отношение α типового транзистора почти равно единице (1). Если мы контролируем ток эмиттера транзистора, регулируя ток через диод простой подстройкой резистора, то мы также контролируем ток коллектора транзистора. Другими словами, ток коллектора повторяет, как зеркало, ток диода.

Таким образом, ток через резистор R_нагр является функцией тока, установленного резистором смещения, причем оба почти равны. Это является назначением данной схемы: стабилизировать ток через резистор нагрузки с помощью удобной подстройки значения R_смещ. Ток через диод описывается простой формулой: напряжение источника питания минус напряжение диода (почти постоянное значение), деленное на сопротивление R_смещ.

Для согласования характеристик двух PN переходов (переход диода и переход база-эмиттер транзистора), вместо обычного диода можно использовать транзистор, как показано на рисунке ниже (a).

Поскольку одним из факторов в «диодном уравнении» является температура, и мы хотим, чтобы два PN перехода вели себя одинаково во всех рабочих условиях, мы должны поддерживать у обоих транзисторов одинаковую температуру. На дискретных компонентах это легко сделать, склеив корпуса двух транзисторов. Если транзисторы производятся сразу в одной кремниевой микросхеме (в виде так называемой интегральной микросхемы, или ИМС), разработчики должны располагать два транзистора близко друг к другу, чтобы облегчить передачу тепла между ними.

Схема токового зеркала на двух NPN транзисторах, показанная на рисунке (a) выше, иногда называют токопринимающим типом, поскольку стабилизирующий транзистор проводит ток к нагрузке от земли («втекающий» ток), а не с положительной клеммы батареи («вытекающий» ток). Если нам нужна нагрузка, соединенная с землей, и схема токовыдающего токового зеркала, то можем использовать PNP транзисторы, как показано на рисунке выше (b).

Хотя в составе микросхемы легче изготовить транзисторы, но в нее могут быть включены и резисторы. Разработчики микросхем избегают некоторых резистором, заменяя резисторы нагрузки на источники тока. Схема, аналогичная операционному усилителю, построенная на дискретных компонентах, будет иметь несколько транзисторов и множество резисторов. Версия на интегральной микросхеме будет иметь множество транзисторов и несколько резисторов. На рисунке ниже одно опорное напряжение (Q1) управляет несколькими токовыми зеркалами: Q2, Q3 и Q4. Если площади у Q2 и Q3 одинаковы, то и токи нагрузок I_нагр будут равны. Если нам нужен 2·I_нагр, то можно соединить параллельно Q2 и Q3. Еще лучше изготовить один транзистор, скажем Q3, с удвоенной площадью Q2. Ток I₃ тогда будет в два раза больше, чем I₂. Другими словами, ток нагрузки пропорционально зависит от площади транзистора.

Обратите внимание на то, что линию подачи напряжения базы принято рисовать прямо через условные обозначения транзисторов нескольких токовых зеркал. Или в случае Q4 на рисунке выше, два источника тока объединены в одно условное обозначение транзистора. Резисторы нагрузки нарисованы почти невидимыми, чтобы подчеркнуть тот факт, что в большинстве случаев они не существуют. Нагрузка часто представляет собой другую (их может быть несколько) транзисторную схему, например пару эмиттеров дифференциального усилителя, например Q3 и Q4 в схеме «Простой операционный усилитель» в главе 8. Часто коллекторная нагрузка транзистора является не резистором, а токовым зеркалом. Например, коллекторная нагрузка коллектора Q4 – это токовое зеркало Q2 (глава 8).

Для примера токового зеркала с несколькими коллекторными выходами смотрите Q13 в модели операционного усилителя 741, глава 8. Выходы токового зеркала Q13 используются вместо резисторов в качестве коллекторных нагрузок для Q15 и Q17. Из примеров мы видим, что в интегральных микросхемах вместо резисторов предпочитают использовать токовые зеркала.

Подведем итоги:

• Токовое зеркало представляет собой транзисторную схему, которая стабилизирует ток через нагрузку, точка стабилизации устанавливается простой подстройкой резистора.
• Транзисторы в схеме токового зеркала для точной работы должны поддерживаться при одинаковой температуре. При использовании дискретных транзисторов для этого вы можете склеить их корпуса вместе.
• Схемы токовых зеркал могут быть построены в двух основных вариантах: токопринимающая схема, где стабилизирующий транзистор соединяет нагрузку с землей, и токовыдающая схема, где стабилизирующий транзистор соединяет нагрузку с положительным выводом источника питания постоянного напряжения.