Меню

Источник тока в цепи стока

Принцип усиления сигналов в полевых транзисторах с управляющим переходом

На рис. 2-1.5 показана схема, в которой на выводы стока и истока полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и каналом \(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к стоку и минусом к истоку. В результате в полупроводнике возникает поток электронов от истока к стоку. Если теперь мы приложим к \(p\)-области (затвору) транзистора некоторое незначительное по величине и отрицательное относительно истока (и стока) напряжение (рис. 2-1.5), то ситуация несколько изменяется. Управляющий \(p\)-\(n\)-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его обратному смещению, и в структуре возникает эффект сопротивления движению электронов от истока в сторону области затвора. А поскольку область затвора лежит на пути электронов к стоку транзистора, то уменьшается их общее число, достигающее стока. Здесь уместно вспомнить, как при описании биполярных транзисторов мы рассматривали обратный эффект (прямое смещение на эмиттерно-базовом \(p\)-\(n\)-переходе порождало поток зарядов в сторону базы). При достижении напряжением на управляющем \(p\)-\(n\)-переходе некоторого критического уровня протекание тока в цепи исток—сток прекращается совсем.

Схема подачи напряжений на полевой транзистор с управляющим переходом и каналом n-типа для обеспечения режима усиления

Рис. 2-1.5. Схема подачи напряжений на полевой транзистор с управляющим переходом и каналом \(n\)-типа для обеспечения режима усиления

Заметим, что поскольку управляющий переход смещен в обратном направлении ток через него практически не течет; это означает возможность использования крайне маломощных источников сигнала для управления полевым транзистором. Таким образом, мы имеем очень слабый ток в цепи сток—затвор (поскольку разность потенциалов между истоком и затвором ниже, чем между стоком и затвором, ток затвора будет протекать именно в этой цепи) и сильный управляемый ток в цепи сток—исток транзистора (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае — электронов). Повышая напряжение на обратносмещенном участке исток—затвор транзистора, мы будем уменьшать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут падать соответственно.

Итак, оказывается, что в полевом транзисторе с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом можно создать сильный электрический ток в цепи «сток — исток — внешний мощный источник питания» при очень слабом токе в цепи «сток — затвор — маломощный источник сигнала». Причем данное слабое воздействие на затвор оказывает управляющее действие на ток в сток-истоковой цепи. Если далее в стоковую или истоковую цепь танзистора (рис. 2-1.5) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на затворе транзистора, но мощность, подаваемая на это сопротивление, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.

Мы описали работу полевого транзистора с управляющим \(p\)-\(n\)-переходом и каналом \(n\)-типа. Для \(p\)-канальных приборов все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет. В случае использования в качестве управляющего перехода Шоттки или гетероперехода физические процессы в полевом транзисторе качественно не изменяются, а все напряжения по-прежнему должны соответствовать типу проводимости канала.

Источник

Источник тока в цепи стока

3.10. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы, называемые также униполярными или канальными, в отличие от биполярных имеют большое входное сопротивление. Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с управляющим p — n переходом и с изолированным затвором. Полевые транзисторы с изолированным затвором в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Канал в полевых транзисторах может быть n или p типа. Канал — это область полевого транзистора, через которую протекают основные носители заряда. Величина тока в канале управляется электрическим полем. Транзисторы, как правило, имеют три вывода. Вывод, от которого в канал приходят основные носители заряда, называется истоком. Вывод, к которому носители заряда приходят из канала, называется стоком. Вывод, на который подается управляющее напряжение относительно истока или стока, называется затвором. Название транзисторы получили вследствие особенностей работы. Полевыми транзисторы называют потому, что управление током в выходной цепи транзистора осуществляется электрическим полем во входной цепи. Канальными транзисторы называют потому, что ток в выходной цепи транзистора протекает через его канал. Униполярными транзисторы называют потому, что в работе транзистора принимают носители одной полярности. Условные обозначения полевых транзисторов приведены в начале этой главы. В условных обозначениях полевых транзисторов на принципиальных схемах стрелка направлена к каналу n -типа, или от канала p -типа. Индуцированный (наведенный электрическим полем) канал, обозначается пунктиром.

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим p — n переходом с каналом n -типа (рис. 3.40а). Знаком плюс показана повышенная концентрация носителей заряда. Области истока и стока делаются с повышенной проводимостью для того, чтобы уменьшить бесполезное падение напряжения на них. Повышенной проводимостью обладает и область затвора с целью увеличения запирающего слоя в сторону канала при увеличении управляющего напряжения. В таких транзисторах управляющее напряжение прикладывается к p — n переходу затвор-исток в обратном направлении.

Читайте также:  Для чего нужен номинальный ток

Если увеличивать напряжение между затвором и истоком в указанной полярности, то запирающий слой p — n перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Сопротивление канала постоянному току увеличивается и ток стока становится меньше. Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток называется стокозатворной характеристикой полевого транзистора. Стоковая характеристика полевого транзистора для схемы включения транзистора с общим истоком – это зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток.

Проставим полярность подключения источников напряжения во входной и выходной цепях полевого транзистора с управляющим p — n переходом с каналом n типа для схемы включения транзистора с общим истоком (рис. 3.41). Мы знаем определения выводов транзистора и то, что p — n переход затвор-исток смещается в обратном направлении. Следовательно, основные носители заряда электроны должны двигаться в соответствии с определением выводов транзистора от истока к стоку, т.е. снизу вверх. Чтобы электроны двига лись в таком направлении необходимо в выходной цепи транзистора плюс источника питания подключить к стоку, минус к истоку. Для смещения p — n перехода затвор-исток в обратном направлении необходимо к затвору подключить минус источника, а к истоку плюс. Стокозатворная характеристика полевого транзистора с управляющим p — n переходом с каналом n -типа для схемы включения транзистора с общим истоком приведена на рисунке 3.42а, а стоковые характеристики на рисунке 3.42б.

На рисунке 3.40 б схематично показано устройство полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом n -типа. На затвор относительно истока такого транзистора можно подавать управляющее напряжение обеих полярностей. Семейство стоковых характеристик данного транзистора приведено на рисунке 3.43 б, а на рисунке 3.43 а – одна из его стокозатворных характеристик. При подаче на затвор относительно истока положительного напряжения в канал будут приходить электроны из областей стока , истока и кристалла p -типа и ток в цепи сток-исток будет увеличиваться. Такой режим работы называют режимом обогащения носителей заряда в канале. При подаче на затвор относительно истока отрицательного напряжения канал транзистора обедняется основными носителями заряда и ток стока уменьшается. Этот режим работы транзистора называется режимом обеднения.

Транзисторы характеризуют рядом параметров. Начальный ток стока — это ток стока при напряжении между затвором и истоком равном нулю и напряжении сток исток равном или превышающем напряжение насыщения. Напряжением насыщения называют напряжение сток-исток, начиная с которого ток стока практически не увеличивается при увеличении напряжения сток-исток при заданном напряжении затвор-исток. Ток утечки затвора — это ток затвора между затвором и остальными выводами транзистора, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор-исток при разомкнутом выводе стока — это ток в цепи затвор-исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутом выводе стока. Напряжение отсечки полевого транзистора — это напряжение затвор-исток для транзисторов с управляющим p — n переходом и транзисторов с изолированным затвором со встроенным каналом, при котором ток стока достигает заданного значения, обычно 10 мкА.

Пороговое напряжение полевого транзистора — это напряжение затвор-исток для транзисторов с изолированным затвором с индуцированным каналом (рис. 3.40в), при котором ток стока достигает заданного значения (рис. 3.44), обычно 10мкА. При отсутствии напряжения между затвором и истоком ток в цепи сток-исток не протекает, т.к. один из p — n переходов оказывается включенным в обратном направлении. При определенном напряжении затвор-исток в области, прилежащей к затвору, наступает инверсия проводимости и в цепи сток-исток появляется ток.

К предельным параметрам полевых транзисторов относятся: максимальный ток стока; максимально допустимые напряжения между выводами сток-исток, затвор-исток, затвор-сток; максимально допустимая мощность рассеяния; максимальная и минимальная температура окружающей среды.

Источник

Источник тока.

Давайте попробуем разобраться, что же все таки называют источником тока и как он обозначается в различных схемах.

Обычно источник тока условно отображается так, как указано на рисунке ниже:

Источник тока

При этом на схемах он изображается следующим образом:

источники тока

Здесь изображен источник тока в составе генератора тока, собранного с использованием биполярных транзисторов.

Источником или генератором тока обычно называют двухполюсник, создающий ток, который не зависит от присоединенного к нему сопротивлению нагрузки. И часто такое название дают любому источнику электрического напряжения (розетке, генератору, батарее и т.п.). Но если говорить только в физическом смысле, такое обозначение нельзя называть правильным, наоборот – источники напряжения, применяемые для бытовых целей, скорее можно назвать источниками ЭДС.

На вышеуказанной схеме содержится источник тока в составе схемы замещения триполярного транзистора. Стрелка служит указателем положительного направления тока. При этом ток, генерируемый этим источником, зависит от напряжения на другом участке данной схемы.

Читайте также:  Какая проволока для тока 10 ампер

Разница между идеальным и реальным источниками тока.

Идеальный источник тока имеет напряжение на клеммах, зависящее только от того, какое сопротивление возникает на внешней цепи: U=L*R

Чтобы определить, какую мощность источник тока отдает в сеть, используется следующая формула: P=L 2 *R

При этом следует учитывать следующее уравнение: L=const

Это позволяет понять, что мощность и напряжение, выделяемые источником тока, будут неограниченно расти, если будет расти сопротивление.

Реальный источник тока в линейном приближении можно описать внутренним сопротивлением. В этом он очень схож с обычным источником ЭДС. Различие между ними состоит в следующем: с увеличением внутреннего сопротивления источник тока приближается по параметрам к идеальному, а источник ЭДС приближается к идеальному по мере того, как внутреннее сопротивление уменьшается.

Реальный источник тока с показателем внутреннего сопротивления r и реальный источник ЭДС будут эквивалентными при соблюдении условия:

Идеальный источник тока

Реальный источник тока будет иметь напряжение на клеммах:

Идеальный источник тока

При силе тока, равной:

Идеальный источник тока

И мощности, определяемой по формуле:

Идеальный источник тока

Катушку индуктивности, по которой на протяжении некоторого времени проходил ток от внешнего источника после его отключения, можно назвать источником тока.

Это объясняет искрение контактов, происходящее, когда индуктивная нагрузка быстро отключается. Пробой зазора возникает из-за сохранения тока при резком увеличении уровня сопротивления.

Если первичная обмотка трансформатора подключена к мощной линии переменного тока, его вторичную обмотку можно рассматривать как идеальный источник тока, но переменного, а не постоянного, что приводит к невозможности размыкания его вторичной цепи. Это значит, что вторичная обмотка должна быть шунтирована.

Реальный генератор обладает рядом ограничений, среди которых следует отметить одно – ограничение по напряжению на выходе. Например, реальный источник тока работает только с тем диапазоном напряжений, верхний порог которого зависит от того, каким будет напряжение, питающее источник. Это приводит к наличию некоторых ограничений по нагрузке.

Такой источник тока нашел широкое применение во многих сферах. Например, для работы в паре с дифференциальными усилителями и измерительными мостами в аналоговой схемотехнике.

Источник



Источники тока на полевых и биполярных транзисторах.

Схемы генераторов тока, разновидности токовых зеркал, Онлайн калькулятор
расчёта элементов источников тока.

На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию «Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования», поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока.
— Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! — начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию Семён Самсонович Елдыкин.
— Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных электрически заряженных частиц — как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков.
«Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как не вступить с электричеством в интимные отношения?» — станет темой нашего научного коллоквиума.

Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме. Напустим энциклопедического глубокомыслия:

«Источник тока — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока. » — учит нас Википедия.

Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник между инвертирующим входом и выходом.

Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока.
Первой и основной из них является величина выходного тока.
Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.
Третья спецификация — это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом, т.е. выходной транзистор находится в активном режиме.
В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.

Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.

Схема источника тока на биполярном транзисторе — самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков — и температурная нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным Iн = Iк≈β×Iб.

Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток — практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов полупроводников.
Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R1.

Читайте также:  Источник питания переменного тока характеристики

Генераторы тока на операционных усилителях (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Единственное, но существенное в отдельных случаях «но» состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. не подключённой никаким боком к земле.
Ток через нагрузку практически с 100% точностью описывается формулой Iн= Uвх/R1.

Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.

Рис.2

Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока.
За примерами далеко ходить не надо — источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д. Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока.
Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ≈0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через нагрузку.
Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений Rб .
Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом). Единственное, за чем надо зорко послеживать — максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора. Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение на затворе в допустимые пределы.
Выходной ток рассчитывается по простой формуле Iн≈0,6/ R1 .
В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.

Про схему токового зеркала, изображённую на Рис.3, смело можно сказать, что это базовая схема источника тока.
Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную обратную связь по току, что с одной стороны, приводит к улучшению термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов Т1 и Т2.

Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис.4), называемые двойным зеркалом тока.
Механизм работает следующим образом: Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1. Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние.

Источник тока, представленный на Рис. 5, называется схемой токового зеркала Уилсона и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора токозадающего Т2 фиксирован и не влияет на выходной ток.

Каскодный генератор тока, изображённый на Рис. 6, обладает достоинствами, связанными с очень высоким внутренним сопротивлением и значительным ослаблением эффекта Эрли. Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает величину в несколько МОм.

И по традиции приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.

РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСТОЧНИКОВ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Источники тока на полевых транзисторах, в связи со значительностью разброса параметров данного типа полупроводников, практическое применение получили в основном при производстве аналоговых интегральных микросхем. При этом при использовании МОП-структур полевых транзисторов, схемотехника токовых зеркал практически не отличается от приведённых выше источников тока на биполярных собратьях.

Рис.6

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах

Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах — занятие, на мой взгляд, довольно нецелесообразное.
Другое дело — специально разработанные полупроводники, называемые токостабилизирующими диодами (CRD), в основе которых лежит полевой транзистор с каналом n-типа.

Рис.7

Полевые диоды имеют только два вывода и оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик. При их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффициента, объединяя CRD с резистором, имеющим тот же самый, но противоположного знака температурный коэффициент.
Токостабилизирующие диоды не очень известны в широких массах радиолюбительского сообщества, но тем временем активно выпускаются буржуйскими промышленниками, имеют приличную номенклатуру токов и достаточно широкий диапазон рабочих напряжений.

А на следующей странице продолжим тему — посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.

Источник