Studiul surselor de curent constant

Studiul surselor de curent constant

1. Scopul lucrarii

Se studiaza comportarea urmatoarelor surse de curent constant:

oglinda simpla de curent cu doua tranzistoare;

sursa cu trei tranzistoare;

sursa standard de curent;

sursa Widlar.

Consideratii teoretice

Sursele de curent din circuitele integrate analogice:

sunt realizate cu tranzistoare bipolare sau MOS;

au rolul de a furniza curenti independenti de impedanta de sarcina si pe cat posibil de tensiunea de alimentare si de temperatura;

indeplinesc umatoarele functii in circuitele integrate:

de polarizare a altor etaje, de exemplu a celor diferentiale;

de sarcini active;

- de deplasare a nivelului de curent continuu.

se deosebesc fata de cele cu componente discrete prin numarul de tranzistoare: sursele de curent din circuitele integrate analogice contin mai multe tranzistoare, deoarece rezistentele de valori mari ocupa o parte insemnata din aria cipului de siliciu;

realizate cu tranzistoare bipolare sunt urmatoarele:

oglinda simpla de curent cu doua tranzistoare;

- sursele de curent cu trei tranzistoare;

- sursa standard de curent;

- sursa de curent Widlar;

- sursa de curent cascada;

- sursa de curent multipla.

realizate cu tranzistoare MOS sunt urmatoarele

- sursa simpla de curent cu doua tranzistoare;

- sursa de curent Wilson;

- sursa de curent cascada.

realizate cu tranzistoare cu efect de camp (TEC-J).

Oglinda simpla de curent cu doua tranzistoare (fig.3.1).

Considerand ca cele doua tranzistoare T₁ si T₂ sunt riguros identice (I_S1=I_S2) vom avea:

I₀ / I_ref =

unde I_ref = (E_C - U_BE)/R

Daca se considera variatia curentului de colector in functie de tensiunea emitor:

I_C = I_S [exp(U_BE/U_T)] [1 + (U_CE/U_A)],

unde U_A = 10 100V este tensiunea Early, vom avea:

I₀ / I_ref = [1 + (U_CE1/U_A)] / [1 + (U_CE2/U_A)].

Rezistenta de iesire a oglinzii de curent este egala cu rezistenta de iesire a lui T₁.

Oglinda de curent cu 3 tranzistoare (sursa de curent Wilson-fig.3.2)

Daca tranzistoarele folosite in oglinda de curent au castiguri mici in curent, atunci factorul β/(β+2) poate sa produca diferente suparatoare intre cei doi curenti. Pentru a elimina aceasta eroare se mai poate introduce un tranzistor. Rezulta relatia de calcul a factorului de transfer in curent:

I₀/I_ref = (

unde I_ref = (E_C - 2U_BE)/R.

Pentru aceasta schema se poate lucra cu valori mai mici ale lui β, obtinandu-se acelasi efect de oglindire a curentului de referinta I_ref la iesire.

2.3. Surse standard de curent (fig. 3.3)

Sursele de curent analizate anterior permit, cu precizarile facute, obtinerea unui curent de iesire aproximativ egal cu curentul de referinta, admitand ca cele doua tranzistoare sunt riguros identice: I_S1 = I_S2.

Daca I_S1 ¹ I_S2, pentru sursa din fig.3.1 avem:

I_C1/I_C2 = [I_S1exp(U_BE/U_T)]/[I_S2 exp(U_BE/U_T)] = I_S1/I_S2= A₁/A₂.

unde A₁,A₂ - reprezinta ariile ocupate de emitoarele celor doua tranzistoare.

Din punct de vedere tehnologic, relizarea unui raport intre cele doua arii de emitor mai mare decat 5 conduce la un consum excesiv de arie a placutei de siliciu pe care se realizeaza circuitul integrat si de aceea se evita o asemenea solutie. Pentru obtinerea unor rapoarte mai mari intre curenti se recurge la sursa standard de curent din fig.3.3, unde avem:

I₀/I_ref = R₂/R₁,

unde I_ref = (E_C-U_BE)/(R + R₂).

Rezistenta de iesire va fi:

R₀ = r₀₁ [1 + βR₁/(R₁ + r_p + r_x1+ R || R₂)].

Sursa de curent Widlar

Pentru obtinerea unor curenti I₀ mici, de ordinul microamperilor utilizarea sursei standard din fig.3.3 implica folosirea unei rezistente R de valoare mare si a unui raport R₁/R₂ de asemenea mare, ceea ce trebuie evitat in circuitele integrate monolitice.

Se recurge astfel la sursa de curent constant Widlar din fig.3.4, unde avem pentru tranzistoare identice (I_S1 = I_S2):

I₀/I_ref = (U_T / R₁ I_ref) ln(I_ref / I₀),

unde I_ref = (E_C - U_BE2)/R.

Rezistenta de iesire va fi:

R₀ = r₀₁[1 + βR₁/(R₁ + r_p + r_x1)].

3. Desfasurarea lucrarii

Pentru efectuarea lucrarii se folosesc urmatoarele aparate si montaje:

voltmetru electronic de c.c.(analogic sau digital);

sursa de c.c. reglabila;

miliampermetru;

generator de semnal;

platforma tip macheta, ce contine plantate elementele componente ale montajelor ce urmeaza a fi efectuate.

Se executa montajul din fig.3.1 pe platforma tip macheta, identificand amplasarea componentelor cum este in fig.3.5.

Pe platforma se executa urmatoarele conexiuni intre borne: bornele 3 si 6, 7 si 9, 8 si 9.

a) Se observa influenta factorului de amplificare in curent.

Se alimenteaza montajul de la o sursa dubla de tensiune continua avand valorile E_C = 15V si E_C'= 5V.

Se vor masura valorile curentilor I₀ si I_ref si se va compara raportul I₀/I_ref cu cel obtinut prin inlocuirea lui β = 210.

Se va compara valoarea masurata a lui I_ref cu valoarea calculata.

b) Se observa influenta tensiunii Early.

La modelul tranzistoarelor se adauga tensiunea Early, care pentru tranzistoare bipolare npn are valori U_A = 10 100V. Se alege U_A = 20V si se noteaza influenta efectului Early asupra curentului de iesire I₀. Se masoara U_CE1 cu voltmetrul intre bornele 5 si 8 si U_CE2 intre bornele    3 si 7.

Se va evalua raportul I₀/I_ref (I₀ si I_ref au valorile masurate mai sus) si se va compara cu cel determinat analitic cu ajutorul relatiei care ia in considerare tensiunea Early. Se vor determina punctele statice de functionare pentru T₁ si T₂ masurand U_CE1, I_C1, U_CE2, I_C2.

c) Determinarea rezistentei de iesire a sursei.

In punctul 5 (fig 3.6), printr-un condensator se aplica un semnal sinusoidal U₀=1V si 1kHz de la un generator de semnal inseriat cu un miliampermetru. Rezistenta de iesire a sursei de curent va fi egala cu: r₀=U₀/I_C si se compara cu rezistenta de iesire teoretica.

d) Influenta tensiunii de alimentare.

Pentru alimentarea sursei de curent se aplica o tensiune variabila, succesiv pentru E_C si E_C'. Se traseaza caracteristicile:

I₀,I_ref = f(E_C) si I₀,I_ref = f(E_C').

Se completeaza apoi tabelele: Se traseaza caracteristica Io,Iref = f(Ec) si Io,Iref = f(Ec`) prin completarea tabelelor 3.1 si 3.2.

Tabelul 3.1

Tabelul 3.2

Se executa montajul din Fig. 3.2 corespunzator amplasarii componentelor aratata in

3.2. Se executa montajul din fig.3.2 corespunzator amplasarii componentelor aratata in fig.3.5, efectuand legaturile intre bornele: 1 si 10, 3 si 4, 7 si 9, 8 si 9.

Pentru a vedea influenta factorului de amplificare in curent, se procedeaza ca la punctul 3.1.a si se compara rezultatele.

Se executa montajul din fig.3.3 pornind de la montajul din fig.3.5 si efectuand legaturile dintre bornele 3 si 6.

a) Se masoara valorile curentilor I_ref si I₀ si se compara cu valorile obtinute din relatiile de la punctul 2.3.

b) Pentru doua valori ale rezistentei R₁, adica 10kΩ si 5kΩ (prin stoparea bornelor 8 si 11) se completeaza tabelul 3.3, folosind urmatoarele formule pentru calculul parametrilor:

I_R1 = U_R1/R1,

I_R2 = U_R2/R₂,

ΔV_BE = V₆₇ - V₆₈.

Tabelul 3.3

Se realizeaza montajul din fig.3.4, realizand pe platforma legaturile intre bornele: 3 si 6, 7 si 9.

Se alimeneteaza montajul cu tensiune variabila succesiv pentru E_C si E_C', apoi se completeaza tabelele 3.4 si 3.5 cu valorile masurate si calculate cu relatiile de la punctul 2.4, stiind ca potentialul termic U_T=25mV.

Tabelul 3.4

Tabelul 3.5

Se determina rapoartele:

(I_ref/20V) / (I_ref/5V) respectiv (I₀/20V) / (I₀/5V).

5. Continutul referatului

Schemele electrice ale montajelor folosite.

5.2. Reprezentarile grafice.

Tabelele completate cu date obtinute experimental si prin prelucrare.

5.4. Concluzii asupra lucrarii.