Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока представляют собой прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, и кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.
Подключение резистора к источнику напряжения. Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.20.
Рис. 2.20.
При условии что R н >> R (иными словами, U н >> U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U / R. Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что Uконд >> U, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RС‑цепи.
Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где‑либо в другом узле схемы.
Упражнение 2.6. Допустим, нам нужен источник тока, который бы обеспечивал точность 1 % в диапазоне изменения напряжения на нагрузке от 0 до +10 В. Какой источник напряжения нужно подключить последовательно к резистору?
Упражнение 2.7. Допустим, что в предыдущем упражнении требуется получить от источника ток 10 мА. Какая мощность будет рассеиваться на резисторе? Какая мощность передается нагрузке?
Транзисторный источник тока. Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.21).
Рис. 2.21. Транзисторный источник тока: основная идея.
Работает он следующим образом: напряжение на базе UБ > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U Э = U Б – 0,6 В. В связи с этим IЭ = UЭ / RЭ = (UБ – 0,6 В)/ RЭ. Так как для больших значений коэффициента h21эIЭ ~= IК, то IК ~= (UБ – 0,6 B)/ RЭ независимо от напряжения UK до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (UK > UЭ + 0,2 В).
Смещение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h21эRэ. Можно воспользоваться также зенеровским диодом и использовать для смещения источник питания Uкк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.22 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.22, б) транзистор р‑n‑р ‑типа питает током заземленную нагрузку (он – источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n‑р‑n ‑типа) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую‑либо точку схемы, то это источник, и наоборот].
Рис. 2.22. Схемы транзисторных источников тока с тремя способами подачи смещения на базу; в транзисторы n‑p‑n ‑типа ток втекает, а из транзисторов р‑n‑р ‑типа вытекает. На схеме (в) показан источник с заземленной нагрузкой.
В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ~= 100 кОм (для h21э = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, – этого достаточно, чтобы диоды были открыты.
Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +12 В.
Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно +5,2 В.
Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапазоне напряжения на нагрузке, ограниченном значениями 0 и +8,6 В. Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания. При использовании такой схемы рекомендуется следить за тем, чтобы не возник пробой транзистора (напряжение UКЭ не должно превышать значение UКЭ проб‑ напряжение пробоя перехода коллектор‑эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения IKUКЭ). В разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.
Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированных источника напряжения: +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора n‑р‑n ‑типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?
В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения UБ, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала u вх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.
Недостатки источников тока. Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем напряжения, т. е. имеет ли источник тока эквивалентное сопротивление конечной величины (Rэкв < 
)? И если да, то почему? Наблюдаются эффекты двух видов:
1. При заданном токе коллектора и напряжение UБЭ, и коэффициент h21Э (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор‑эмиттер. Изменение напряжения UБЭ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента h21э приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как Iк = IЭ – IБ; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смещения, обусловленного изменениями коэффициента h21Э (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис. 2.22, а, составляет приблизительно 0,5 % для транзистора типа 2N3565. В частности, при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В эффект Эрли обусловливает изменение тока на 0,5 %, а нагрев транзистора – на 0,2 %. Изменение коэффициента вносит дополнительный вклад в изменение выходного тока – 0,05 % (для жесткого делителя напряжения). Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно. В дальнейшем вы узнаете, что есть методы, которые позволяют преодолеть этот недостаток.
2. Напряжение UБЭ и коэффициент h21Э зависят от температуры. В связи с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный. Изменение напряжения UБЭ в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рис. 2.23.
Рис. 2.23. Один из методов температурной компенсации источника тока.
В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т2 компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе Т1, который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R3 играет роль нагрузки для Т1, необходимой для задания втекающего тока базы транзистора Т2.
Улучшение характеристик источника тока. Вообще говоря, изменение напряжения UБЭ, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно – 2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения UБЭ (эффект Эрли оценивается величиной ΔUБЭ ~= –0,001 ΔUкэ, можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения UБЭ на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе).
Например, если UЭ = 0,1 В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения Uбэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10 %, если же Uэ = 1,0 В, то такое же изменение Uбэ вызывает изменение тока на 1 %. Однако, не стоит заходить слишком далеко.
Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания +10 В, напряжение на эмиттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от Uэ + 0,2 В до UKK, т. е. от 5,2 до 10 В).
На рис. 2.24 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока.
Рис. 2.24. Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.
Источник тока Т1 работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т2. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т2) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из‑за большого значения h21Э). В этой схеме напряжение UКЭ (для Т1) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения UБЭ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2Ν3565 эта схема дает изменение тока на 0,1 % при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1 %. (Кстати, эту схему используют в высокочастотных усилителях, где она известна под названием «каскод»). В дальнейшем вы познакомитесь со схемами источников тока, в которых используются операционные усилители и обратная связь, и в которых также решена задача устранения влияния изменений Uбэ на выходной ток.
Влияние коэффициента h21Э можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h21Э, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.
На рис. 2.25 показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение UБЭ транзистора Т1, падая на резисторе R2, определяет выходной ток независимо от напряжения UKK
Uвых = UБЭ / R2.
С помощью резистора R1 устанавливается смещение транзистора Т2 и потенциал коллектора Т1, причем этот потенциал меньше, чем напряжение UKK, на удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние эффекта Эрли. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на R2 уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/°С и вызывает соответствующее изменение выходного тока (0,3 %/°С).
Рис. 2.25. Транзисторный источник тока с использованием напряжения Uбэ в качестве опорного.
