Appunti del corso Elettronica Analogica Prof. Marco Sampietro POLIMI1 4 INTRODUZIONE AI GENERATORI DI CORRENTE 4.1Requisiti di un generatore di corrente 4.2Generatori di corrente a MOSFET 4.2.1Dal generatore singolo ai generatori multipli4.2.2Generatori di corrente stabilizzati a specchio di corrente 4.2.3Generatori di corrente con resistenza di degenerazione 4.3Generatori di corrente a BJT4.3.1Generatori di corrente a specchio 4.3.2Specchi di corrente a BJT ad uscite multiple 4.3.3Generatori di corrente con resistenza di degenerazione Appunti del corso Elettronica Analogica Prof. Marco Sampietro POLIMI2 4.1REQUISITI DI UN GENERATORE DI CORRENTE In base al principio di funzionamento del transistor,sia esso un MOSFET ounBJT,vienenaturalepensarediutilizzarloqualesemplicegeneratoredi correntecostanteladdoverichiestoinuncircuito.Infattibastafissarelatensione tra i due morsetti di commando (VGS in un MOSFET o VBE in un BJT) per ottenere alDrain(Collettore)lavolutacorrenteinbaseallarispettivaequazionetrans caratteristica ((3.1) per il BJT, (3.8) per il MOSFET).Affinch il transistore fornisca la corrente al Drain (Collettore) secondo la predetta equazione necessario sempre verificare che il transistore operi nella corretta zona di funzionamento: - nel caso del MOSFET questo vuol dire che il canale deve essere in pinch-off dal lato del Drain (il transistore deve essere in saturazione). - nel caso del BJT questo vuol dire che la giunzione base-collettore deve essere in inversa o al pi in diretta di poche centinaia di mV (max. 0.5V in diretta). Nel progetto di un generatore di corrente bisogna anche tenere presente che: 1)ilvaloredellacorrentegeneratadeveesserebendefinito.Scegliendo opportunamenteicollegamenticongli altri elementi del circuito, il transistore deve fornire in modo semplice e preciso proprio il valore di corrente voluto; 2)ilvaloredellacorrentegeneratadeveesserestabileeriproducibile.Affinch ciavvenga,ilcircuitodevefissarelacorrenteinmodotalechesiailpi indipendente possibile dai parametri sensibili dei transistori (|, IS, k, VT, ecc.), da loro variazioni con la temperatura o da sostituzione dei componenti. Si pensi a tal proposito alla produzione automatizzata su larga scala di un circuito ed alla esigenza che tutti gli esemplari si comportino sostanzialmente allo stesso modo nonostante che i transistori impiegati, pur dello stesso modello e marca, abbiano una corrente di saturazione inversa IS o un valore di VT che differiscono anche significativamente.Uncorrettoprogettoelettronicodeveevidentemente garantirechelecorrentineigeneratorisianosostanzialmentelestesseinogni esemplare e pari ai valori desiderati; 3)ilgeneratorerealizzatodevepoterfornirelacorrenteinognisituazionedi caricoprevistainfasediprogetto,senzacheiltransistoreescamaidalla regione attiva diretta di funzionamento. Infatti la tensione al Drain (Collettore) diungeneratoredicorrentepotrebbevariaredurantelusoperch,nonostante che la corrente prodotta sia costante, potrebbe variare limpedenza del carico a cuilacorrentevieneinviata.Unbuonprogettodevequindiprevederetuttele condizioni operative in cui il circuito si trover ad operare;Appunti del corso Elettronica Analogica Prof. Marco Sampietro POLIMI3 4)ilgeneratorerealizzatodevepresentareunaresistenzadiuscitalapielevata possibileinmododafornireunacorrenteilpiindipendentepossibiledal valoredelcarico.Benchidealmenteuntransistoreabbiaunaimpedenzadi Drain (Collettore) infinita e quindi permetta di realizzare generatori di corrente perfetti,inrealtessohaunar0finita.Unbuonprogettodevefarsiche limpedenzadi uscita del generatore siail pi possibilemaggiore del valore di r0 del transistore impiegato. 4.2GENERATORI DI CORRENTE A MOSFET 4.2.1Dal generatore singolo ai generatori multipli Ilmodopiintuitivoesemplicepersfruttareuntransistorecome generatoredicorrentequellomostratonellaFig.4.1:ilpartitoreR1,R2fissala tensione al Gate, e quindi la VGS, determinando la corrente di uscita come( )2T GS UV V k I =(4.1) I limiti di tale realizzazione sono tutti intuibili analizzando la (4.1): -unapiccolaimprecisionenellaVGsiriflette,acausadellarelazione quadratica, in una grande imprecisione nella Iu ; -una variazione di k o di VT produce una corrispondente variazione di Iu. Il grafico della Fig.4.1 visualizza ad esempio la variazione della corrente prodotta R2RL+ VDDIuR1VGSIDv1v1VGS fissaK1(VGS-VT)2 ID1ID2K2(VGS-VT)2RLIu Fig. 4.1SemplicegeneratoredicorrenteutilizzanteunMOSFETidealee,a destra,visualizzazionedellentitdellevariazionidicorrentequalora variasse il parametro k del transistore. Appunti del corso Elettronica Analogica Prof. Marco Sampietro POLIMI4 (punto di lavoro) al variare di k da un valore k1 a k2, fissata la tensione di comando VGSalvaloreV1.Seundatoprocessotecnologicoproduceunadispersionedei valoridikinunlottodiproduzionedel10%,lacorrispondentedispersionedelle correnti nei generatori sar: ( )kIV VkID2T GSD= =ccda cui % 10kkIIDD=c=c. Cioivarigeneratoriprodottiavrannounadispersionenellecorrentiparialla dispersione nel parametro k dei transistori utilizzati. E 4.1(a)Calcolarelacorrenteprodottadalgeneratoredellafiguraseguente realizzato con un pMOSFET avente k=4mA/V2, VT=0.8V e VA=. (b)ModificareivaloridiR1eR2inmodoche,senzamodificarela corrente al carico, la potenza dissipata nel partitore resistivo sia solo un centesimo della massima potenza fornibile al carico. (c)CalcolarelintervallodivalorichelaresistenzadelcaricoRLpu assumere senza compromettere il buon funzionamento del generatore. (d)Calcolarelavariazionedellacorrentefornitaalcaricodovutaad una variazione del 5% del valore del fattore k del transistore. (e)Visualizzaretalevariazionesullacurvatranscaratteristicadel transistore di uscita che fornisce la corrente del generatore R113kORL+ 3.3VIuR220kOR113kORL+ 3.3VIuR220kO (a) The voltage divider sets VG=+2V. Consequently IU=1mA. (b)ThemaximumpowerthatcanbedeliveredtotheloadbeforetheMOSFET stop functioning properly is PRL=1mA x 2.8V=2.8mW. Consequently: ( )O = = + k 389 100mW 8 . 2V 3 . 3R R22 1 This results in R1=153kO and R2=236kO. (c) 0+93%), compromettendo il buon funzionamento del generatore. E 4.11 Calcolare la corrente fornita al carico (1kO) dal seguente generatore di corrente utilizzante un BJT con |=200 e VA=50V, e disegnare il circuito equivalente Norton del generatore di corrente. RL1 kO+ 6 VR133k- 6 VIU Calcolare la corrente fornita ad un carico RL di soli 4O. Calcolareanchelintervallodivalorichepuavereilcaricoaffinch possa essere collegabile al generatore. [I(RL=1kO)=8.6mA, I(RL=4O)=9.92mA, 0