Типовые элементы аналоговых интегральных схем

Составные транзисторы

Составной транзистор – это комбинация двух (или нескольких) транзисторов, которую можно рассматривать как единое целое.

Рис. 2.1

Наибольшее распространение среди составных транзисторов получила схема Дарлингтона (рис. 2.1) в которой используются транзисторы с одним типом проводимости (например, n–р–n). Главная особенность схемы – большая величина коэффициента передачи базового тока b = h₂₁. Действительно, если пренебречь тепловыми токами транзисторов, из рис. 2.1 следует:

 

i_к = i_к1 + i_к2;

i_к = b₁ i_б + (b₁ + 1) b₂ i_б = (b₁+ b₂b₁ + b₂) i_б » b₂ b₁ i_б.

 

Поэтому можно считать, что коэффициент передачи тока базы составного транзистора равен произведению коэффициентов усиления каж­дого из транзисторов b = b₁b₂ и реально составляет несколько тысяч.

Изменяются и другие параметры. У составных транзисторов по сравнению с обычными увеличиваются входное сопротивление, те­пловые токи и пороговые напряжения и уменьшаются выходное сопротивление и граничные частоты.

На рис. 2.2 показана схема составного транзистора, применяемая для улучшения параметров горизонтальных р–n–р-транзисторов. В ней используются транзисторы с разным типом проводимости. В этой схеме также b = b₁ + b₁b₂ » b₁∙b₂

Для повышения крутизны полевого транзистора применяется схема (рис. 2.3), в которой совместно включены полевой и биполярный транзисторы. Результирующая крутизна S = S1 b1.

Составные транзисторы широко используются в усилительных каскадах и особенно в повторителях напряжения.

 

 Рис. 2.2                                                           Рис. 2.3

 

2.1.2. Генераторы стабильного тока

Генераторы стабильного тока (ГСТ) должны обеспечивать неизменный выходной ток при изменении нагрузки R_н.

В простейшем случае эта задача может быть решена с помощью токозадающего резистора R (рис. 2.4). В этой схеме реальная нагрузка условно показана как резистор R_н. Ток в нагрузке i_н:

 

                                                                                        (2.1)

 

 Если R >> R_н, то ток I_н слабо зависит от изменений сопротивления нагрузки. Действительно, дифференцируя (2.1) получим

 .                                                                                                                                                                          (2.2)

 

Следовательно, увеличивая R, можно уменьшить изменения тока нагрузки  до требуемой величины. Однако схеме на рис. 2.4 присущ недостаток – большая часть мощности, поступающей от источника питания, выделяется в резисторе R и не поступает в нагрузку R_н.

Рис. 2.4

Значительно удобнее вместо резистора R использовать нелинейные элементы, обладающие малым сопротивлением по постоянному току R0= U / i и большим дифференциальным R_i = DU / DI, например, транзисторы.

На рис. 2.5, а приведена схема простейшего ГСТ на биполярном транзисторе и его эквивалентная схема (рис. 2.5, б). В качестве стабилизирующего элемента используется выходная цепь транзистора (промежуток эмиттер-коллектор), имеющая вольтамперную характеристику требуемого вида (рис. 2.6).

Рис. 2.5                                                                    Рис. 2.6

 Рабочая точка (ток I_н) определяется пересечением характеристики и нагрузочной линии (точка А). При изменении R_н рабочая точка перемещается по характеристике. Например, при уменьшении сопротивления нагрузки на величину DR_н, рабочая точка переместится в точку В, что приведет к увеличению тока нагрузки на  (рис. 2.6). Чем больше выходное дифференциальное сопротивление транзистора R_i = Du / Di (чем более горизонтально идет характеристика), тем меньше изменение тока нагрузки I_н.

Так как на участке стабилизации (пологая область) характеристика транзистора аппроксимируется выражением

 

i_к = I₀ + u_кэ / R_i ,                                                                                                 (2.3)

легко получить

DI_н / I_н = DR_н / R_i.                                                                                                (2.4)

Таким образом, в транзисторном стабилизаторе стабилизация тока определяется величиной R_i (эквивалент R на рис. 2.4), которая может достигать десятков и сотен килоом.

Величину тока нагрузки I_н можно задавать, изменяя режим работы транзистора по постоянному току с помощью резисторов R_б1 иR_б2. Часто в цепь эмиттера транзистора включают резистор R_э, улучшающий стабильность и увеличивающий сопротивление R_i.

На рис. 2.7 приведена распространенная схема ГСТ на полевом транзисторе с управляющим переходом. Она удобна тем, что является двухполюсником и напряжение U_зи формируется за счет автоматического смещения U_зи = i_с R_и. В частном случае при R_и = 0 и u_зи= 0, I_н = I_{C макс}.

Рис. 2.7

Широкое распространение в аналоговых ИС получили стабилизаторы тока, называемые токовыми зеркалами или отражате­лями тока. Схема рис. 2.8 отличается от схемы рис. 2.5 способом задания режима транзистора VТ2. Вместо делителя напряжения R_б1 – R_б2 в ней используется нелинейный делитель, составленный из резистора R0 и транзистора VT1, включенного в диодном режиме (в прямом направлении).

Рис. 2.8

Ток I_о в левой части схемы равен

.                                                                                              (2.5)

 

 

где U* – прямое напряжение, устанавливающееся на эмиттерном переходе транзистора VT1 под действием тока I₀ (напомним, что для кремниевых транзисторов U* = 0,6…0,8 В).

Ток базы второго транзистора значительно (в b раз) меньше тока I₀ и может не учитываться.

Одновременно напряжение U* поступает на базу транзистора VТ2. Оба транзистора работают в активном режиме и, если они одинаковы, то I_н = I₀ (то, что для VТ1 U_кб = 0, а для VТ2 U_кб > 0 в активном режиме влияет слабо), причем это равенство не нарушается при различных дестабилизирующих воздействиях. Отметим, что «токовые зеркала» особенно эффективны именно в микроэлектронном исполнении, обеспечивающем идентичность параметров транзисторов, одинаковые температурные зависимости, одинаковое «старение» и т. д. Существуют также схемы, в которых «отражение тока» происходит с изменением масштаба. С этой целью в цепи эмиттеров включают резисторы R_Э1≠R_Э1.

 

Динамическая нагрузка

Термином «динамическая нагрузка» описывают нелинейные элементы с большим сопротивлением переменному току (большим дифференциальным сопротивлением) и малым сопротивлением по постоянному току, используемые вместо резисторов в выходных цепях усилительных элементов. Фактически речь идет об одной из областей применения генераторов тока. Более того, сам термин «динамическая нагрузка» является условным, так как реальной нагрузкой (получателями сигнала) являются другие элементы.

На рис. 2.9 и 2.10,а показаны выходные цепи усилительных каскадов на БТ с линейным резистором R_к и динамической нагрузкой соответственно. Реальная нагрузка (входное сопротивление следующего каскада) обозначена резистором R_н.

 

  Рис. 2.9                                                                                     Рис. 2.10

 

Известно, что коэффициент усиления по напряжению возрастает пропорционально увеличению сопротивления нагрузки R_н. Однако, при этом необходимо, чтобы R_к >> R_н, так как в противном случае часть сигнала будет рассеиваться в резисторе R_к. Таким образом, при увеличении R_н необходимо увеличить и R_к, однако, величины, определяющие режим работы по постоянному току I_к(0) и U_к(0) жестко связаны со значениями R_к и E_n, так как U_к(0) = E_n – I_к(0) R_к, и возможности изменения R_к практически отсутствуют.

Естественным выходом из данной ситуации является использование вместо R_к генератора тока (рис. 2.10, а). В этом случае легко выполнить условие R_i >> R_н и независимо от него установить любой требуемый ток I_к(0) » I₀.

Следует отметить, что для получения динамической нагрузки удобно использовать транзисторы с другим типом проводимости (в данном случае р–n–р) и задавать напряжение база-эмиттерV72 относительно шины питания. Применение динамической нагрузки позволяет примерно на порядок увеличить коэффициент усиления по напряжению.

Схемы сдвига потенциальных уровней

В многокаскадных усилителях с непосредственными связями между каскадами на вход каждого следующего каскада поступает не только полезный сигнал, но и постоянная составляющая напряжения с транзистора предыдущего каскада. Устранение избыточного постоянного напряжения осуществляют схемы сдвига потенциальных уровней. При этом переменные сигналы они пропускают без ослабления. Схемы сдвига уровней заменяют разделительные конденсаторы, которые не могут быть реализованы средствами микроэлектроники.

Одним из вариантов решения проблемы накопления постоянных составляющих является чередование каскадов на р–n–р и р–n–р-транзисторах, так как в р–n–р—транзисторах в активном режиме положительное напряжение на коллекторе транзистора больше, чем на базе, а в р–n–р – меньше. Схема сдвига представлена на рис. 2.11, а.

Рис. 2.11

 Другим вариантом схем сдвига уровней являются нелинейные делители напряжения.

В схеме на рис. 2.11, б постоянная составляющая на выходе уменьшается на величину I₀R₀, а в схеме на рис. 2.11, в на величину напряжения стабилизации U_ст. При этом для переменных составляющих коэффициенты передачи обеих схем близки к единице, так как на рис. 2.11, б сопротивление R₀ выбирается много меньше дифференциального сопротивления генератора тока R_i, а в схеме рис. 2.11, в много больше дифференциального сопротивления стабилитрона r_д. Генератор тока может быть построен по любой из ра­нее рассмотренных схем.