УДК 621.382:621.311.6
ББК 32.853
Х21
Х21
Харрисон, Линден Т.
Источники опорного напряжения и тока / Л. Т. Харрисон ; пер. с англ. С. К. Староверова.
— 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 576 с. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2023. — (Схемотехника).
— Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран
10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-438-4
Источники тока (ИТ) и источники опорного напряжения (ИОН) являются неотъемлемыми элементами
многих аналоговых схем, поскольку обеспечивают фиксированные и высокостабильные
уровни токов или напряжений.
Настоящая книга представляет собой исчерпывающее руководство по разработке источников тока
и опорного напряжения. В ней рассматриваются теоретические основы работы, схемотехника и методика
применения этих устройств, реализованных как в виде монолитных ИС, так и на дискретных
компонентах, а также показано, как ИОН и ИТ дополняют друг друга при проектировании аналоговых
схем. Особое внимание уделено таким компонентам, как полевые транзисторы и стабилитроны, которые
широко используются при построении дискретных схем ИОН и ИТ. Параметры этих приборов во
многом определяют качество работы схемы, именно поэтому в книге приводится большое количество
информации, необходимой для правильного их выбора с учетом требований конкретного применения.
Книга содержит большое количество примеров, типовых схем включения тех или иных компонентов,
так и различных схемотехнических решений, рекомендуемых при построении ИОН и ИТ.
Благодаря этому, читатель имеет возможность реализовать полученные теоретические знания на
практике; не исключено, что многие из этих примеров послужат читателю хорошей «отправной точкой»
при разработке его собственных схем источников тока и опорного напряжения.
Книга предназначена и начинающим, и опытным инженерам-разработчикам аналоговых схем, а
также студентам технических вузов. Она наверняка будет интересна широкому кругу читателей, которые
хотят разобраться в принципах работы ИТ и ИОН и понять, что же происходит «внутри» их корпуса.
УДК 621.382:621.311.6
ББК 32.853
Электронное издание на основе печатного издания: Источники опорного напряжения и тока / Л. Т. Харрисон ;
пер. с англ. С. К. Староверова. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2015. — 576 с. — (Схемотехника). — ISBN
978-5-97060-313-0. — Текст : непосредственный.
Книга «Источники опорного напряжения и тока» Линдена Харрисона подготовлена и издана по договору с Elsevier Inc. of
200 Wheeler Road, 6th Floor, Burlington, MA01803, USA.
Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами,
электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения
информации, без письменного разрешения издательства.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.
ISBN 978-5-89818-438-4
© Elsevier Inc.
© Перевод, Издательский дом «Додэка-XXI»
© Издание, ДМК Пресс, 2015
Стр.5
ОГЛАВЛЕНИЕ
Благодарности
8
Глава 1 Краткая историческая справка
14
1.1. Введение ..................................................................................... 14
1.2. Первые полевые транзисторы и операционные усилители ............................................ 17
1.3. Первые «бэндгапы» ............................................................................. 20
1.4. Появление стабилитронов со скрытым пробоем .................................................... 21
1.5. Совершенствование технологий .................................................................. 22
1.6. Появление других топологий ..................................................................... 24
Глава 2 Общие сведения об источниках тока
28
2.1. Обзор ........................................................................................ 28
2.2. Прецизионные резисторы, наборы резисторов и подстроечные резисторы ............................ 38
2.3. Базовая оснастка проектной лаборатории ......................................................... 46
2.3.1. Лабораторный блок питания ................................................................ 46
2.3.2. Печь с терморегулятором ................................................................... 47
2.3.3. Калиброванный, прецизионный амперметр ................................................... 47
Глава 3 Полупроводники и p-n-переход
Глава 4 Применение биполярных транзисторов в источниках тока
48
65
4.1. Характеристики БТ ............................................................................ 67
4.2. Использование БТ в качестве источника тока ..................................................... 85
4.3. Источники тока Видлара ....................................................................... 92
4.4. Токовые зеркала Уилсона ....................................................................... 99
4.5. Источник тока Уайта .......................................................................... 105
4.6. Многоканальные токовые зеркала .............................................................. 108
4.7. Каскодные токовые зеркала .................................................................... 110
4.8. Масштабирование токов ....................................................................... 114
4.9. Модифицированные источники тока и примеры их применения ................................... 121
4.9.1. Работа источников тока от нескольких источников питания .................................... 122
4.9.2. Улучшенное подавление влияния источника питания ......................................... 123
4.9.3. Альтернативный делитель тока ............................................................. 124
4.9.4. Модифицированное трехтранзисторное токовое зеркало вытекающего тока ................... 125
4.9.5. Линейный заряд конденсатора источником тока в ГУН ..................................... 126
4.9.6.
4.9.7.
4.9.8.
4.9.9.
Источник тока в высокочастотном лазерном передатчике ............................... 128
Температурно-компенсированный источник втекающего тока ........................... 128
Комбинированные токовые зеркала .................................................. 129
Токовые зеркала в схеме ЦАП-управления частотой генератора и коэффициентом заполнения
импульсов ........................................................................ 129
4.9.10. Использование источников тока в качестве активных нагрузок .............................. 130
4.9.11.
4.9.12.
4.9.13.
Модифицированный источник тока, возводящий опорный ток в квадрат ................. 133
Регулируемый источник тока с цифровым управлением ................................ 135
4.9.14.
Применение комбинированных токовых зеркал при задании характеристик фильтра высоких
частот ............................................................................ 136
Простые светодиодные источники тока ............................................... 138
Стр.6
6
Оглавление
4.9.15.
4.9.16.
4.9.17.
4.9.18.
Использование источника тока на светодиоде в схеме смещения малошумящего усилителя
переменного напряжения ........................................................... 140
Составной источник тока на биполярных и полевых с очень высоким выходным полным
сопротивлением ................................................................... 140
Составной источник тока высокой мощности на БТ и МОП-транзисторах ................ 142
Схема токовой накачки на основе источника тока Уилсона и с цифровым управлением ..... 143
Глава 5 Использование согласованных пар, сдвоенных и счетверенных транзисторов
Глава 6 Использование ПТ и ТСД в источниках тока
145
5.1. Прецизионные согласованные пары БТ ......................................................... 145
5.2. Высококачественные сдвоенные транзисторы .................................................... 150
5.3. Сдвоенные и счетверенные БТ общего назначения ................................................ 156
160
6.1. Общие сведения о полевых транзисторах ........................................................ 160
6.2. Характеристики ПТ ........................................................................... 162
6.3. Использование ПТ в качестве источника тока ................................................... 176
6.4.
Каскодный источник тока на ПТ .......................................................... 186
6.5. Токостабилизирующие диоды на основе ПТ ..................................................... 191
6.5.1. Характеристики ТСД ..................................................................... 192
6.5.2. Рекомендации по проектированию схем на ТСД ............................................. 201
6.5.3. Обзор популярных серий ТСД ............................................................. 202
6.6. Использование ПТ для создания диодов со сверхмалыми утечками ................................. 205
Глава 7 Создание источников тока средней мощности на основе ДМОП-транзисторов
209
7.1. ДМОП-транзисторы со встроенным каналом .................................................... 211
7.2. Технология кремниевого затвора ................................................................ 213
7.3. Характеристики ДМОП-транзисторов со встроенным каналом ..................................... 215
7.4. Источники тока на ДМОП-транзисторах со встроенным каналом .................................. 221
7.5. Каскодный источник тока на ДМОП-транзисторах ............................................... 224
7.6. Каскодный источник тока на ПТ и ДМОП-транзисторе ........................................... 226
7.7. ДМОП-транзисторы со встроенным каналом и горизонтальной структурой .......................... 226
Глава 8 Проектирование источников тока на основе мощных МОП-транзисторов
229
8.1. Характеристики МОП-транзисторов с индуцированным каналом .................................. 231
8.2. Применение МОП-транзистора с индуцированным каналом в качестве источника тока ............... 246
8.3. Применение мощных МОП-транзисторов «интеллектуальной» серии Smart ......................... 258
8.4. Мощные источники тока компании IXYS ........................................................ 259
8.5. МОП-транзисторы с индуцированным каналом и горизонтальной структурой ....................... 261
Глава 9 Создание источников тока на основе интегральных наборов МОП-транзисторов 262
9.1. RCA — родоначальник КМОП-технологии ...................................................... 262
9.2. Характеристики полевых КМОП-транзисторов ................................................... 267
9.3. Использование линейных КМОП-транзисторных наборов при построении схем источников тока ...... 276
9.4. Каскодные КМОП-транзисторные источники тока ............................................... 281
9.5. Применение программируемых приборов EPAD® компании ALD при построении прецизионных
источников тока ......................................................................... 287
9.6. Транзисторные наборы компании ALD с рекордно малым пороговым напряжением затвора ........... 290
Глава 10 Использование интегральных ИС источников тока и токовых зеркал
296
10.1. LM134 компании National Semiconductor — монолитная ИС источника тока ........................ 296
10.2. Применение источников тока на ИС LM134 .................................................... 301
10.3. Использование LM134 в качестве датчика температуры ........................................... 308
10.4. Монолитный источник тока REF-200 производства компании TI/Burr-Brown ....................... 311
Глава 11 Использование прецизионных источников тока совместно с ОУ и ИОН
319
11.1. История развития операционных усилителей .................................................... 319
11.2. Некоторые характеристики ОУ ................................................................. 324
11.3. Фильтрация в цепи питания и защита входов ОУ ................................................. 335
11.4. Построение источников тока на основе ОУ ..................................................... 337
11.5. Проектирование прецизионных стабилизаторов тока на ОУ ....................................... 353
Глава 12 Введение в источники опорных напряжений
360
12.1. Общие сведения и история развития ........................................................... 360
12.2. Характеристики источников опорного напряжения .............................................. 365
12.2.1. Начальное отклонение .................................................................... 367
12.2.2. Температурный дрейф или температурный коэффициент, ТК ................................. 368
12.2.3. Долговременный дрейф ................................................................... 374
12.2.4. Выходной уровень шумов ................................................................. 374
Стр.7
Оглавление
7
12.2.5. Тепловой гистерезис ...................................................................... 377
12.2.6. Нестабильность по входу .................................................................. 377
12.2.7. Нестабильность по нагрузке ............................................................... 378
12.2.8. Максимальный выходной ток IOUT, мА ..................................................... 378
12.2.9. Диапазон напряжения питания ............................................................ 379
12.2.10. Ток потребления ........................................................................ 379
12.2.11. Падение напряжения .................................................................... 380
12.2.12. Время установления после подачи питания ton, мкс ......................................... 380
12.2.13. Дрейф при подаче питания ∆V/T .......................................................... 380
12.2.14. Переходная характеристика .............................................................. 380
12.2.15. Отключение/включение ................................................................. 381
12.2.16. Рассеиваемая мощность ................................................................. 381
12.3. Усовершенствованные схемотехнические решения ИОН ......................................... 382
12.3.1. Установка блокировочных конденсаторов на входе и выходе схемы с ИОН ...................... 382
12.3.2. Снижение шума ......................................................................... 384
12.3.3. Корректировка выходного напряжения ..................................................... 391
12.4. Неиспользуемые выводы в корпусе ............................................................. 399
12.5. Типы корпусов .............................................................................. 399
12.6. Разработка печатной платы ................................................................... 400
12.7. Почему бы не сделать ИОН самому? ........................................................... 402
12.8. Точность, обеспечиваемая различными типами ИОН ............................................. 406
Глава 13 ИОН на стабилитронах и термокомпенсированных стабилитронах
Глава 14 Характеристики монолитных ИОН
409
452
13.1. Введение ................................................................................... 409
13.2. Характеристики стабилитрона ................................................................. 412
13.3. Простые примеры использования стабилитронов ................................................. 430
13.4. Термокомпенсированные стабилитроны ........................................................ 441
14.1. ИОН типа «бэндгап» ......................................................................... 453
14.2. ИОН на стабилитроне со скрытым пробоем ..................................................... 465
14.3. Источники опорного напряжения типа XFET®. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
14.4. Источник опорного напряжения FGA™ компании Intersil/Xicor ................................... 475
14.5. Низковольтные ИОН ......................................................................... 479
14.6. Сравнение архитектур ИОН ................................................................... 485
Глава 15 Обзор некоторых наиболее популярных монолитных ИОН и их применений
489
15.1. Использование бэндгап-ИОН параллельного типа ............................................... 491
15.2. Применение нерегулируемых бэндгап-ИОН последовательного типа ................................ 505
15.3. Применение регулируемых бэндгап-ИОН последовательного типа .................................. 522
15.4. Применение ИОН XFET® компании Analog Devices .............................................. 535
15.5. Применение ИОН на стабилитроне со скрытым пробоем .......................................... 540
15.6. Применение X60008 типа FGA™ компании Intersil/Xicor ..............................................
15.7. Многоканальные ИОН и ИОН с несколькими нагрузками ............................................
15.8. Взгляд в будущее .................................................................................
Стр.8