LUCRAREA NR. 1 STUDIUL SURSELOR DE CURENT

Transcript

1 LUCAEA N STUDUL SUSELO DE CUENT Scopul lucrării În această lucrare se studiază prin simulare o serie de surse de curent utilizate în cadrul circuitelor integrate analogice: sursa de curent standard, sursa de curent simplă şi sursa de curent Wilson Consideraţii teoretice cu privire la sursele de curent În cadrul circuitelor integrate analogice sursele de curent sunt folosite ca elemente de polarizare (generează curenţi de polarizare constanţi) deoarece conduc la micşorarea sensibilităţii circuitului faţă de variaţiile surselor de alimentare şi ale temperaturii Deoarece prezintă rezistenţe de ieşire mari sursele de curent se folosesc în cadrul circuitelor integrate analogice şi ca sarcini active în locul rezistenţelor de valori mari, care necesită o arie de siliciu mai mare decât cea aferentă surselor de curent Cei mai importanţi parametri ai unei surse de curent sunt: precizia raportului curenţilor prin diferite ramuri, rezistenţa de ieşire, stabilitatea curentului cu temperatura, independenţa curentului de tensiunea de alimentare Unele dintre sursele de curent cele mai utilizate în cadrul circuitelor integrate analogice sunt: sursa de curent standard, sursa de curent simplă şi sursa de curent Wilson Schemele acestor surse sunt prezentate în figura În continuare se prezintă pe scurt unele caracteristici ale acestor surse de curent Sursa de curent standard Schema sursei de curent standard este prezentată în figura (a) Este denumită în acest fel deoarece are schema identică cu cea folosită în circuitele cu componente discrete Sursa de curent standard se utilizează pentru curenţi mai mari decât 0, ma aportul dintre curentul de de erinţă şi cel de ieşire este mai mare sau egal decât 5 Tranzistorul T este conectat ca diodă, având U CB = 0 V Astfel, tranzistorul T se află în regiunea sa activă El realizează compensarea termică a curentului la variaţia tensiunii U BE şi a factorului β cu temperatura

2 (a) (b) (c) Fig Sursele de curent studiate: (a) sursa de curent standard, (b) sursa de curent simplă şi (c) sursa de curent Wilson Presupunem că tranzistoarele T şi T sunt identice şi au β suficient de mare pentru a neglija curenţii de bază faţă de curenţii de colector Curentul este egal cu: Vcc = U r + BE () aportul dintre curenţii şi este aproximativ egal cu: () Dacă =, atunci sursa este oglindă de curent Sursa de curent standard are dezavantajul dependenţei curentului de tensiunea de alimentare V cc prin intermediul curentului Conform relaţiilor () şi () rezultă că această dependenţă este practic liniară Sursa de curent simplă Schema sursei de curent simple este prezentată în figura (b) Aceasta este un caz particular al sursei de curent standard în care = = 0 Ω Sursa de curent simplă este cea mai convenabilă pentru circuitele integrate analogice Din schema sursei de curent simple rezultă U BE = U BE Prin urmare, avem:

3 U T ln c s = U T ln s, (3) unde: s şi s sunt curenţii de saturaţie ai joncţiunilor bază-emitor ale tranzistoarelor T şi T ; U T este tensiunea termică, U T = kt /q ( 6 mv pentru T = 300 K) Presupunem că tranzistoarele sunt identice şi curenţii de bază neglijabili Astfel, rezultă: (4) Deci, sursa este oglindă de curent Curentul este egal cu: V = cc U r BE (5) În realitate curentul de colector, datorită efectului de modelare a grosimii bazei (efectul Early), este dat de relaţia: c = e s U BE UT U + V CE A, (6) în care V A este tensiunea Early Ţinând cont de relaţia de mai sus rezultă că: U + V U + V CE A BE A (7) Datorită efectului Early factorii β ai celor două tranzistoare nu sunt egali Astfel, dacă două tranzistoare identice lucrează la tensiuni U CE diferite (de exemplu U CE < U CE ), atunci şi factorii β vor fi diferiţi (β < β ) În cazul sursei de curent simple U CE = U BE 0,6 V < U CE Prin urmare, rezultă β < β aportul / este aproximativ egal cu: β β + (8) De regulă, raportul / are valori cuprinse între, şi,

4 Sursa de curent simplă, la fel ca şi sursa de curent standard, are dezavantajul dependenţei curentului de tensiunea de alimentare V cc prin intermediul curentului, care pe baza relaţiilor (5) şi (7) este practic liniară 3 Sursa de curent Wilson Schema sursei de curent simple este prezentată în figura (c) Această sursă menţine constant curentul datorită reacţiei negative serie-paralel realizată prin tranzistorul T (este o reacţie negativă datorită inversării de fază produse de T (în conexiune EC)) Curentul este egal cu: V = cc U BE r U BE (9) Tensiunea U CE3 0,6 V, iar tensiunea U CE = U BE + U BE, V Între tensiunile U CE ale trazistoarelor există inegalitatea U CE > U CE > U CE3 Prin urmare şi aici intervine efectul Early, rezultând β > β > β 3, cu observaţia că β şi β 3 sunt foarte apropiate între ele deoarece tensiunile U CE şi U CE3 sunt apropiate între ele Presupunem că toate tranzistoarele sunt identice aportul / este aproximativ egal cu: ββ3 β β + β + β + β 3 ββ + β β 3 β = β 3 (0) Se obţine un raport / mai mic decât, dar foarte apropiat de Prin urmare, sursa este oglindă de curent Datorită avantajelor pe care le prezintă (curentul este menţinut constant şi un raport / foarte apropiat de ) sursa de curent Wilson este mult mai performantă decât sursa de curent simplă Şi această sursă are dezavantajul dependenţei curentului de tensiunea de alimentare V cc prin intermediul curentului Pe baza relaţiilor (9) şi (0) rezultă că această dependenţă este practic liniară 3 Desfăşurarea lucrării Pentru ca simularea să fie cât mai apropiată de realitate se consideră că tranzistoarele sunt din cadrul circuitului integrat analogic CA 3086 arie de tranzistoare npn Schemele folosite în cadrul analizelor SPCE sunt prezentate în figura (sunt prezentate, de asemenea, şi nodurile aferente)

5 (a) (b) (c) Fig Schemele folosite în cadrul analizelor SPCE pentru: (a) sursa de curent standard, (b) sursa de curent simplă şi (c) sursa de curent Wilson 3 Sursa de curent standard Schema folosită în cadrul analizelor SPCE este prezentată în figura (a) Programul SPCE utilizat pentru studiul sursei de curent standard (fişierul excir din subdirectorul\work\lucrari\lucrarea) este următorul: Sursa de curent standard Vcc 0 DC 5 ; V cc = 5 V r 6kohm ; r = 6 kω s 4 5kohm ; s = 5 kω Q 3 CA3086 ; Tranzistoarelel Q şi Q sunt din cadrul circuitului integrat CA 3086 Q 4 5 CA kohm ; = kω 5 0 5kohm ; = 5 kω MODEL CA3086 NPN ; modelul tranzistoarelor din cadrul circuitului integrat CA S=0000E-5 BF=5666 VAF=00 KF=36783E-3 + SE=48E-5 NE=4743 B=00 VA=00 + K=000E-3 SC=0000E-5 C=0 CJE=060E- + MJE=33333 CJC=9979E-5 MJC=33333 TF=7855E- + XTF=9905 VTF=8899 TF=7763 T=0000E-9 * Analize SPCE POBE (s) ; se vizualizează curentul (( s )) DC Vcc 5 5 ; tensiunea V cc variază între valorile 5 V şi 5 V cu pasul de V END Se efectuează următoarele:

6 a) Pentru programul dat se reprezintă grafic curentul de ieşire ((s)) în funcţie de tensiunea de alimentare V cc (V()) b) Se realizează o analiză parametrică STEP, în care parametrul este valoarea lui Aceasta ia, pe rând, valorile întregi din cadrul intervalului [5, 4] kω În acest scop, linia de descriere a rezistenţei se înlocuieşte cu: 5 0 {val} De asemenea, după modelul tranzistoarelor, în locul analizelor SPCE existente, se scrie: Param val = 5k ; val = 5 k * Analize SPCE DC Vcc 5 5 ; V cc = 5 V STEP Param val list 5k 6k 7k 8k 9k 0k k k 3k 4k ; analiza parametrică în care ; parametrul val ia, pe rând, valorile specificate în cadrul listei PNT DC (s) (r) ; se tipăresc în fişierul de ieşire ex, pentru fiecare valoare a lui ;, valorile curenţilor (s) şi (r) END Se reprezintă grafic folosind programul MATLAB raportul / în funcţie de valoarea lui, atât folosind datele obţinute prin simulare, cât şi cele obţinute pe baza relaţiei () Se compară, prin intermediul erorii relative rezultatele obţinute pe baza simulării cu cele obţinute prin aplicarea relaţiei () (valoarea adevărată se consideră cea obţinută pe baza simulării) Ce concluzie se poate deduce din această comparaţie? 3 Sursa de curent simplă Schema folosită în cadrul analizelor SPCE este prezentată în figura (b) Prgramul SPCE utilizat pentru studiul sursei de curent standard (fişierul excir din subdirectorul\work\lucrari\lucrarea) este următorul: Sursa de curent simpla Vcc 0 DC 5 ; V cc = 5 V r 44kohm ; r = 44 kω s 3 8kohm ; s = 8 kω Q 0 CA3086 ; Tranzistoarelel Q şi Q sunt din cadrul circuitului integrat CA 3086 Q 3 0 CA3086 MODEL CA3086 NPN ; modelul tranzistoarelor din cadrul circuitului integrat CA S=0000E-5 BF=5666 VAF=00 KF=36783E-3 + SE=48E-5 NE=4743 B=00 VA=00 + K=000E-3 SC=0000E-5 C=0 CJE=060E- + MJE=33333 CJC=9979E-5 MJC=33333 TF=7855E- + XTF=9905 VTF=8899 TF=7763 T=0000E-9 * Analize SPCE POBE (s) ; se vizualizează curentul (( s )) DC Vcc 5 5 ; tensiunea V cc variază între valorile 5 V şi 5 V cu pasul de V END

7 Se efectuează următoarele: a) Pentru programul dat se reprezintă grafic curentul de ieşire ((s)) în funcţie de tensiunea de alimentare V cc (V()) b) Se realizează o analiză parametrică STEP, în care parametrul este valoarea lui β (BF în modelul tranzistorului) Aceasta ia, pe rând, valorile: 5, 50, 75, 00, 5, 50, 75 şi 00 În acest scop în cadrul modelului tranzistoarelor se introduce BF = {val} De asemenea, după modelul tranzistoarelor, în locul analizelor SPCE existente, se scrie: Param val = 5666 ; val = 56,66 * Analize SPCE DC Vcc 5 5 ; V cc = 5 V STEP Param val list ; analiza parametrică în care ; parametrul val ia, pe rând, valorile specificate în cadrul listei PNT DC (s) (r) ; se tipăresc în fişierul de ieşire ex, pentru fiecare valoare a lui ;, valorile curenţilor (s) şi (r) END Se reprezintă grafic folosind programul MATLAB raportul / în funcţie de valoarea lui β pe baza datele obţinute prin simulare Să se explice rezultatele obţinute c) Se revine la BF = 56,66 în cadrul modelului tranzistorului Se realizează o analiză parametrică STEP, în care parametrul este valoarea tensiunii Early (VAF în modelul tranzistorului) Aceasta ia, pe rând, valorile: 5 V, 50 V, 75 V, 00 V, 5 V, 50 V, 75 V şi 00 V În acest scop în cadrul modelului tranzistoarelor se introduce VAF = {val} De asemenea, după modelul tranzistoarelor, în locul analizelor SPCE existente, se scrie: Param val = 00 ; val = 00 * Analize SPCE DC Vcc 5 5 ; V cc = 5 V STEP Param val list ; analiza parametrică în care ; parametrul val ia, pe rând, valorile specificate în cadrul listei PNT DC (s) (r) VC(Q) VC(Q) ; se tipăresc în fişierul de ieşire ex, pentru fiecare ; valoare a lui, valorile curenţilor (s) şi (r), precum şi ; ale tensiunilor U CE (= U BE ) şi U CE END Se reprezintă grafic folosind programul MATLAB raportul / în funcţie de valoarea tensiunii V A, atât pe baza valorilor şi obţinute prin simulare, cât şi pe baza valorilor calculate cu relaţia (7), în care U BE şi U CE se citesc din fişierul ex Se compară, prin intermediul erorii relative rezultatele obţinute pe baza celor două proceduri (valoarea adevărată se consideră cea obţinută folosind şi din fişierul ex) Ce concluzie se poate deduce din această comparaţie? 33 Sursa de curent Wilson Schema folosită în cadrul analizelor SPCE este prezentată în figura (c) Prgramul SPCE utilizat pentru studiul sursei de curent standard (fişierul ex3cir din subdirectorul\work\lucrari\lucrarea) este următorul:

8 Sursa de curent Wilson Vcc 0 DC 5 r 38kohm ; V cc = 5 V ; r = 38 kω s 4 8kohm ; s = 8 kω Q 4 3 CA3086 ; Tranzistoarelel Q Q 3 sunt din cadrul circuitului integrat CA 3086 Q 3 0 CA3086 Q CA3086 MODEL CA3086 NPN ; modelul tranzistoarelor din cadrul circuitului integrat CA S=0000E-5 BF=5666 VAF=00 KF=36783E-3 + SE=48E-5 NE=4743 B=00 VA=00 + K=000E-3 SC=0000E-5 C=0 CJE=060E- + MJE=33333 CJC=9979E-5 MJC=33333 TF=7855E- + XTF=9905 VTF=8899 TF=7763 T=0000E-9 * Analize SPCE POBE (s) ; se vizualizează curentul (( s )) DC Vcc 5 5 ; tensiunea V cc variază între valorile 5 V şi 5 V cu pasul de V END Se efectuează următoarele: a) Pentru programul dat se reprezintă grafic curentul de ieşire ((s)) în funcţie de tensiunea de alimentare V cc (V()) b) Se reprintă grafic raportul / în funcţie de valoarea lui β În acest scop se procedează la fel ca şi la punctul 3(b) Se compară rezultatele obţinute pentru sursa de curent Wilson şi pentru sursa de curent simplă În acest scop rezultatele obţinute pentru cele două surse de curent se reprezintă pe acelaşi grafic Întrebări: Unde sunt utilizate sursele de curent în cadrul circuitelor integrate analogice? Să se deducă relaţiile () şi (0) 3 De ce sursa de curent Wilson este mai performantă decât sursa de curent simplă?