Прецизионный регулятор тока на полевом транзисторе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРЕЦИЗИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР ТОКА НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Рахматов Ахмад Зайнидинович, д-р техн. наук, директор по производству АО «FOTON». Ташкент, Узбекистан. E-mail: [email protected]

Гиясова Феруза Абдиазизовна, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории «Приборостроение в области электроники, оптоэлектроники и фотоники», ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: [email protected]

Кулиев Шукурулло Мастафаевич, младший научный сотрудник лаборатории «Приборостроение в области электроники, оптоэлектроники и фотоники», ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: [email protected]

Закиров Руслан Гильмуллаевич, инженер АиРЭО, авиапредприятие «Uzbekistan Airways Technics». Ташкент, Узбекистан. E-mail: [email protected]

Аннотация. Приведены результаты исследования на основе микросхемы - каскада с динамической нагрузкой на полевом транзисторе, который можно использовать в качестве прецизионного регулятора тока для снятия вольтамперных характеристик выпрямительно-ограничительных диодов и полупроводниковых приборов с резко нарастающим током.

Ключевые слова: ограничитель тока, полевой транзистор, затвор, сток, исток, стабилизатор тока, сопротивление, регулятор тока, динамическая нагрузка, характеристика, микросхема.

В настоящее время для надежной работы элементов ин-фокоммуникационной системы, мобильной связи и компьютерной технологии требуются стабилизированные источники питания.

В случае, когда имеющийся источник тока дает превышенные значения рабочего тока, то срок службы, потребителя тока может существенно сократиться и выйти из строя преждевременно. Также в случае меньших значений тока пульт управления окажется в неоптимальном режиме. Кроме того, излучатели одного типономинала имеют определенный разброс значений рабочего тока [1], что требует корректировки рабочих токов их источников питания.

В известных ограничителях тока, созданных соединением двух каналов полевого транзистора последовательно с общим затвором, а также с помощью диодного ограничителя, в которых задаются фиксированные значения рабочего тока проблематичным является их использование для проведения исследований параметров и питания полупроводниковых светодиодов и лазеров с различными рабочими токами.

Следует отметить, что известные ограничители тока, созданные соединением двух каналов полевого транзистора последовательно с общим затвором, а также с помощью диодного ограничителя с фиксированными рабочими токами [2]

практически непригодны для определения параметров и питания полупроводниковых приборов (светодиодов и лазеров) с различными рабочими токами.

Решение этих проблем, то есть для питания мобильных устройств и излучателей с различным рабочим током, а также при измерении параметров приборов с резко нарастающим током для получения в одном порядке нескольких точек необходим прецизионный регулятор тока.

В настоящей работе рассматриваются вопросы создания прецизионного регулятора тока на основе полевого транзистора в режиме автоматического смещения и каскада с динамической нагрузкой.

Стабилизатор тока в режиме автоматического смещения с высоким выходным сопротивлением

Как было экспериментально показано возможность получения высокого динамического сопротивления в режиме автоматического смещения [3] в отличие от режима включения с общим истоком. Это свойство нами реализовано в кремниевых полевых транзисторах с квадратичной зависимостью передаточной характеристики (рис. 1).

пт

ПгЬ

а

= ов

У. = -0,2 в

и* = -0,4 В

и* = -0,6 В

У™ = -0,8 В

"ш = -1,0 В

Um = -1,4 В

иж = -2,0 В

= -2,4 В

ю и„, в

о Язи = О

о Язи = 100 Ом Язи = 200 Ом Язи = 400 Ом

Язи = 700 Ом Я311 = 1000 Ом Язи = 2000 Ом Язи = 4000 Ом

10 U™, В

в

Рис. 1. Стоковая вольтамперная характеристика кремниевого полевого транзистора КП103:

а - электронная схема регулятора тока на полевом транзисторе [3]; б - от запирающего напряжения; в - от сопротивления затвор-исток

Рахматов А.З., Гиясова Ф.А., Кулиев Ш.М., Закиров Р.Г.

Необходимый рабочий ток, согласованный с нагрузкой, подбирается с помощью потенциометра (подстроечного резистора), подключенного к истоку и минусу блока питания. Регулятор тока может быть изготовлен на основе полевого транзистора не только с каналом л-типа, но и с каналом р-типа проводимости.

Для создания рабочего режима на полевой транзистор (рис. 1а), от батареи 2 подается постоянное напряжение, например, 4,5 вольта. При этом в цепи нагрузки и канала полевого транзистора при максимальном значении сопротивления потенциометра потечет минимальный ток. Его значение регулируется переменным потенциометром. В нем стабильность тока задается выходным динамическим сопротивлением на участке насыщения тока стока.

Высокое выходное динамическое сопротивление полевого транзистора, охватывающее от напряжения насыщения до пробойного участка, позволяет сохранить заданные токи стока от напряжения затвора и внешнего сопротивления, соединяющего вывод истока к выводу затвора, при снижении напряжения питания до уровня напряжения насыщения (рис. 16).

Увеличение величины сопротивления от нуля до 4000 Ом приводит к уменьшению тока стока. Максимальная величина тока равна максимальному току насыщения полевого транзистора при нулевом смещении, стоковая вольтам-перная характеристика которого приведена на рис. 16. На рис. 1е приведена зависимость тока сток-затвор при различных значениях управляющего сопротивления. Видно, что при нулевом значении сопротивления ток стабилизации равен максимальному току полевого транзистора. По мере увеличения величины сопротивления ток стабилизации уменьшается. Например, при сопротивлении равном 200 Ом получаем ток (3,3 мА) создаваемый запирающим напряжением -0 8 В или для сопротивления 400 Ом имеем ток соответствующий -1,0 В.

Здесь наблюдаемую зависимость тока от сопротивления можно объяснить тем, что управляющее сопротивление совместно с каналом полевого транзистора как бы создает делитель напряжения, который запирает канал (рис. 2). В результате на сопротивлении пропорционально его величине будет падать напряжение, и ток стока становится прецизи-онно управляемым от величины сопротивления, задающим соответствующие значения напряжения (рис. 2а).

Известно, что в области насыщения тока стока зависимость тока стока от напряжения затвора определяется выражением [4]:

I = I

си си тах

1 - Ци

иг,г

1000 2000 3000 4000 5000 /?и, Ом б

Рис. 2. Зависимости тока стока и стабилизации от условий смещения:

а - от напряжения и сопротивления; 6 - от величины управляющего сопротивления

Так как ток, протекающий через канал протекает также через сопротивление

и = и I Я , (5)

зи Яи си и' ' '

то выражая его через ток и сопротивление получим

= 1 -

^отс V 1си тах

(6)

Откуда можно определить зависимость тока стабилизации от сопротивления затвор-исток

(1)

R -

R и - Т~

си

1 -

-Л

(7)

то есть степенной зависимостью. Соответственно

Iси ^ _ и

откуда

Iси _л - из,

"4и тах ^отс

Относительно напряжения затвора имеем

и

- = 1 -

(2)

(3)

(4)

или в относительных единицах будем иметь

Я и = ^Ц^ (1 - .

(8)

Отметим, что в полевых транзисторах с управляющим р-л-переходом в зависимости от технологии получения полевого транзистора значение может принимать от 1,5 до 2,2 [4]. Оценка показателя степени из зависимости

1П1 от 1п I Я

(9)

дает значение 1,78 и 1,84, что близко к квадратичной зависимости. Соответственно, на основании полученной

т

тах

т

си

тах

си тах

зависимости для задаваемого значения тока стабилизации можно определить значение требуемого сопротивления. Расчетные данные, проведенные в предположении квадратичной зависимости тока от напряжения, как видно из рис. 26, находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными зависимости сопротивления истока от тока стабилизации.

Таким образом, результаты исследования полевого транзистора в режиме смещения переменным сопротивлением позволяют расширить диапазон стабильных рабочих токов. Такие источники тока представляют интерес для использования в цепи питания интегральных схем и полупроводниковых светодиодов (лазеров).

Регулятор тока с расширенными функциональными возможностями на основе каскада с динамической нагрузкой на полевом транзисторе

Для повышения стабильности и точности регулирования значения тока предлагается использовать универсальную микросхему на основе каскада с динамической нагрузкой на полевом транзисторе или двухтранзисторные ячейки [5].

Использование микросхемы с динамической нагрузкой в качестве регулятора тока расширяет его функциональные возможности. В частности, в отличие от известного каскада [6] в микросхеме вывод затвора дополнительного транзистора разъединяется от вывода истока, а вывод затвора основного транзистора соединяется к истоку дополнительного транзистора. В результате при изменении тока стока одновременно будут модулироваться оба канала, способствуя выполнению функции регулятора тока.

Схема регулятора тока на основе каскада с динамической нагрузкой приведена на (рис. 3). Микросхема в качестве регулятора тока подключается выводом стока основного транзистора к объекту, на который подается заданной величины ток, фиксируемый цифровым амперметром и падающее на нем напряжение, измеряется ламповым вольтметром.

Рис. 3. Схема регулятора тока на основе микросхемы каскада с динамической нагрузкой

Регулировка тока осуществляется с помощью последовательно соединенных переменных потенциометров и Я2, которые соединены к источнику питания. Микросхема позволяет управлять током через структуру с шагом не менее десяти точек на каждом порядке (мкА с шагом 1-10, 10-100 и мА с шагом 1-10), что обеспечивает высокую точность измерения вольтамперных характеристик стабилитронов, лавинных диодов, тиристоров и диодов с резким подъемом тока или S-образной вольтамперной характеристикой, (рис. 4), где приведена снятая с помощью каскада с динами-чекской нагрузкой вольтамперная характеристика кремневой р+-лл+-структуры с различным напряжением пробоя.

Рис. 4. Пробойные характеристики кремниевой выпрямительно-ограничительной р+-пп+-структуры

Заключение

Таким образом, прецизионный регулятор тока на полевом транзисторе, а также на основе предлагаемой микросхемы - каскада с динамической нагрузкой на полевом транзисторе можно использовать в качестве прецизионного регулятора тока для снятия вольтамперных характеристик выпрямительно-ограничительных диодов и полупроводниковых приборов с резко нарастающим током, а использование данного подхода получения каскада с динамической нагрузкой позволяет расширить функциональные возможности схемы с динамической нагрузкой и обогащает основу технологии и конструирования микросхем.

Литература

1. Сокольников А.В., Игошев С.О., Траксова В.В. Определение температуры перехода в гетероструктуре сверхяркого светодиода // Электроника и информационные технологии, 2010. № 2. С. 1-4.

2. Источники тока на ПТ с р-п-переходом. http://www.skilldiagram. com/gl3-6a.html

3. Едгорова Д.М. Механизм насыщения тока стока полевого транзистора // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. Одесса, 2006. № 5 (65). С. 58-61.

4. Милехин А.Г. Радиотехнические схемы на полевых транзисторах. М.: Энергия, 1976. С. 29-31.

5. Патент на изобретение № IAP 05540 «Универсальная микросхема» / Лутпуллаев С.Л., Сайдумаров М.А., Каримов А.В., Рахма-тов А.З., Едгорова Д.М., Абдулхаев О.А., Кулиев Ш.М. Бюл. № 2 от 28.02.2018 г.

6. Патент России. № 2024111. 30.11.1994. Истоковый повторитель. Мац Илья Леонтьевич.

Rahmatov Ah.Z., Giyasova F.A., Kuliev Sh.M., Zakirov R.G.

PRECISION REGULATOR OF CURRENT BASED ON THE FIELD TRANSISTOR

Rahmatov Ahmad Z., doctor of technical sciences, production director of JSC «FOTON». Tashkent, Uzbekistan. E-mail: [email protected]

Giyasova Feruza A., physics-mathematics science PhD, senior scientist of laboratory «Instrumentation Engineering in the field of Electronics, Optoelectronics and Photonics» Physical-Technical Institute of Uzbekistan Academy of sciences. Tashkent, Uzbekistan. E -mail: [email protected]

Kuliev Shukurullo M., junior researcher of the laboratory «Instrument-making in the field of electronics, optoelectronics and photonics» of Physical-Technical Institute, Uzbekistan Academy of sciences. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: kuliyev. [email protected]

Zakirov Ruslan G., engineer-avionic of «Uzbekistan Airways technics» aircraft maintenance center. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: [email protected]

Abstract. The results of research based on a cascade type microcircuit with a dynamic load on a field-effect transistor (FET), which can be used as a precision current regulator for removing the current-voltage characteristics of rectifier-limiting diodes and semiconductor devices with a sharply increasing current are presented.

Keywords: current limiter, field effect transistor, gate, drain, source, current stabilizer, resistance, current regulator, dynamic load, characteristic, microcircuit.

Currently, reliable operation of the elements of the digital communication system, mobile communications and computer technology requires stabilized power supplies.

In the case where the current source provides higher operating current values, the service life of the current consumer can be substantially reduced and it is premature to fail. Also, in the case of lower values of current, the control panel will be in a non-optimal mode. In addition, the emitters of the same type have a certain variation in the values of the operating current [1], which requires adjusting the operating currents of their power supplies.

In known current limiters created by connecting two channels of a FET in series with a common gate, and also using a diode limiter, in which fixed values of the operating current are set, it is problematic to use them to conduct research on the parameters and power of semiconductor light-emitting diodes and lasers with different operating currents.

It should be noted that the known current limiters created by connecting two channels of the FET in series with the common gate, and also using a diode limiter with fixed working currents [2] are practically unsuitable for determining the parameters and power of semiconductor devices (LEDs and lasers) with different operating currents.

The solution of these problems, that is, for supplying mobile devices and emitters with different operating currents, as well as for measuring the parameters of devices with a sharply increasing current, in order to obtain several points in the same order, requires a precision current controller.

In this paper, we consider the creation of a precision current controller based on a field-effect transistor in the automatic displacement mode and a cascade with dynamic load.

Current stabilizer in the mode

of automatic bias with high output resistance

As was shown experimentally, the possibility of obtaining a high dynamic resistance in the mode of automatic bias in an arsenide-gallium field-effect transistor, unlike the mode of inclusion with a common source [3]. We realized this property in silicon field-effect transistors with a quadratic dependence of the transfer characteristic (Fig. 1).

The required operating current, matched to the load, is selected using a potentiometer (trimmer resistor) connected to the source and minus the power supply. The current regulator can be manufactured on the basis of a field effect transistor not only with an n-type channel, but also with a p-type conduction channel.

FED

f drain

be

gate

0 fi

-o -0,2

-0,4 5

-0,6 < E 4

-> -0,8

-< -1,0 f> i

->-1,4 E 2

1

■c-2,0

t-2,4 0

^source-drain' ^

Fig. 1. The current-voltage characteristic of silicon field effect transistor KP103:

a - electronic current controller circuit on the field effect transistor [3]; b - from the closing voltage; c - from gate-source resistance

To create the operating mode for a field effect transistor (Fig. 1a), a constant voltage is applied from battery 2, for example, 4.5 volts. In this case, the minimal current flows in the load circuit and the channel of the FET at the maximum value of the potentiometer resistance. Its value is controlled by an alternating potentiometer. In it, the stability of the current is set by the output dynamic resistance in the saturation section of drainage current.

The high output impedance of the FET, spanning from the saturation voltage to the breakdown portion, allows the specified drain currents to be maintained from the gate voltage and external resistance connecting the source terminal to the gate terminal, with the supply voltage dropping to the saturation voltage (Fig. 1b)

Increasing the resistance value from zero to 4000 Q results in a decrease in the drain current. The maximum value of the current is equal to the maximum saturation current of the field-effect transistor at zero bias, the current-voltage characteristic of which is shown in Fig. 1b. Fig. 1c shows the dependence of the drain-gate current for different values of the control resistance. It is seen that at zero resistance value the stabilizing current is equal to the maximum current of the field-effect transistor. As the resistance value increases, the stabilizing current decreases. For example, at a resistance of 200 Q, we obtain a current (3.3 mA) produced by a closing voltage of -0.8 V or for a resistance of 400 Q, we have a current corresponding to -1.0 V.

Here the observed dependence of the current on the resistance can be explained by the fact that the control resistance together with the channel of the field-effect transistor creates a voltage divider that locks the channel (Fig. 2). As a result, the voltage will be proportional to its magnitude, and the drain current becomes precisely controlled from the resistance value, which gives the corresponding values of the voltage, (Fig. 2a).

It is known that in the saturation region of the drain current the dependence of the drain current on the gate voltage is determined [4] by the

I = I I 1__

ds gd max

that is, a power law. Respectively

1 - Us

From where

.= 1 - Ul

Regarding the gate voltage, we have

U„,

- = 1 -

uotc V'dsmax

L.

(1)

(2)

(3)

(4)

Since the current flowing through the channel also flows through the resistance

U = U L R ,

gs R.. ds m'

(5)

Rh ds h'

then expressing it through the current and the resistance we get

'dSR M

- = 1 -

ds

(6)

rain-gate ® ^

0,8 V = 1,0V

Experiment Calculation

Fig. 2. Dependence of drain current and stabilization from displacement conditions:

a - from voltage and resistance value; b - from control resistance value

From where it is possible to determine the dependence of the stabilization current on the gate-source resistance

Or in relative units

U,

'ds maxuotc

( - ihs).

(7)

(8)

Note that in field effect transistors with control p-n-junction, depending on the technology of obtaining the field-effect transistor, the value can take from 1.5 to 2.2 [4]. Evaluation of the exponent of dependence

In1 from In I R

(9)

gives a value of 1.78 and 1.84, which is close to the quadratic dependence. Accordingly, based on the obtained dependence for the set value of the stabilization current, it is possible to determine the value of the required resistance. The calculated data based on the assumption of a quadratic dependence of the current on the voltage, as seen in Fig. 2b, are in good agreement with the experimental data on the dependence of the source resistance on the stabilization current.

Thus, the results of the field-effect transistor investigation in the mode of displacement with variable resistance allow us to extend the range of stable operating currents. Such current

m

R

M

ds

dsmax

R

m

I

M

ds

ds

gs max

dsmax

U

dsmax

sources are of interest for use in the supply circuit of integrated circuits and semiconductor light-emitting diodes (lasers).

Current controller with extended functionality based on the cascade with dynamic load on the field effect transistor

To increase the stability and accuracy of current regulation, it is proposed to use a universal IC based on a cascade with dynamic load on a field-effect transistor or two-transistor cells [5].

Using a chip with dynamic load as a current regulator extends its functionality. In particular, unlike the known cascade [6] in the microcircuit, the output of the gate of the additional transistor is disconnected from the source terminal, and the gate terminal of the main transistor is connected to the source of the additional transistor. As a result, when the drain current varies, both channels will simultaneously be modulated, facilitating the current regulator

The current regulator circuit based on the cascade with dynamic load is shown in Fig. 3. The microcircuit as a current regulator is connected by the drain terminal of the main transistor to the object to which the current supplied by the digital ammeter and the voltage that is incident on it is supplied with a predetermined value, measured by a tube voltmeter.

Fig. 3. Current regulator circuit based on a cascade type chip with dynamic load

The current is controlled by the series-connected variable potentiometers R and R2, which are connected to the power supply. The chip allows you to control the current through the structure in steps of at least ten points in each order

Rahmatov Ah.Z., Giyasova F.A., Kuliev Sh.M., Zakirov R.G.

(|A in steps of 1-10, 10-100 and mA in steps of 1-10), which provides high accuracy of measuring the volt-ampere characteristics of zener diodes, avalanche diodes, thyristors and diodes with a sharp current rise or an S-shaped current-voltage characteristic (Fig. 4), where the volt-ampere characteristic of a silicon p+-nn+-structure taken with the aid of a dynamical load cascade with different breakdown voltages

Fig. 4. Breakdown characteristics of silicon rectification-bounding p+-nn+-structure

Conclusion

Thus, the precision current controller in the field-effect transistor, and also on the basis of the proposed microcircuit-a cascade with dynamic load on a field-effect transistor-can be used as a precision current regulator to remove the current-voltage characteristics of rectifier-limiting diodes and semiconductor devices with a sharply increasing current, and the use of this approach to obtaining a cascade with dynamic load allows you to extend the functionality of the circuit with dynamic load and enriches the basis of technology and design of microcircuits.

References

1. Sokolnikov A.V., Igoshev S.O., Traksova V.V. Determination of the transition temperature in the super-bright LED heterostructure // Electronics and Information Technology, 2010. № 2. Pp. 1-4.

2. Sources of current on the FET with p-n-junction. http://www.skilldi-agram.com/gl3-6a.html

3. Yodgorova, D.M. Mechanism of saturation of the drain current of a field-effect transistor // Technology and design in electronic equipment. Odessa, 2006. №5 (65). Pp. 58-61.

4. Milekhin A.G. Radio engineering circuits on field-effect transistors. M.: Energy, 1976. Pp. 29-31.

5. Patent for invention No. IAP 05540 «Universal microcircuit» / Lutpul-laev S.L., Saydumarov M.A., Karimov A.V., Rakhmatov A.Z., Yodgorova D.M., Abdulkhaev O.A., Kuliev Sh.M. Bul. No. 2 of 28.02.2018.

6. The patent of Russia No. 2024111. 30.11.1994. Source Repeater. Matz Ilya Leontievich.