В чем идея гениального ограничителя тока Видлара?

Я воспользовался уникальной функцией Q&A StackExchange, но сейчас я просто изложил свой ответ, чтобы другие участники могли принять участие. Я построил свой ответ в виде пошагового сценария построения.

Разгадать тайну этого гениального схемного решения было для меня большой проблемой, потому что Видлар был изобретательным гением... и обычному человеку сегодня очень трудно понять его идеи. Остается только догадываться, что он имел в виду при проектировании схемного решения...

Я изложу свою философию в несколько последовательных шагов, каждый из которых проиллюстрирован красочной картинкой. Это качественное интуитивное объяснение; поэтому электрические величины не имеют точных значений. Представление полосами напряжения (красными) и петлями тока (зелеными) является приблизительным, но полярность напряжения и направления тока являются реальными, а не произвольными.

Проблема

Предположим, нам нужно разработать транзисторный источник тока с максимальным согласующим напряжением . Это означает минимальное напряжение на транзисторе и максимальное напряжение на нагрузке . Почему?

Когда нагрузка, питаемая от источника тока, увеличивает свое сопротивление (или напряжение), напряжение на ней увеличивается, и в какой-то момент источник тока перестает функционировать, так как его регулирующий транзистор насыщается (см. пояснения ниже рис. 1). Мы хотим, чтобы этот момент наступил как можно позже.

Решение

1. Источник опорного входного напряжения. Лучший способ создания источника тока — это отрицательная обратная связь. Например, в классической реализации транзистора на рис. 1 транзистор T действует как повторитель напряжения (эмиттерный), который «копирует» входное опорное напряжение VREF через постоянный токочувствительный резистор RI в эмиттере. Он делает это, пропуская ток нагрузки IL через RI, сравнивая падение напряжения VI на резисторе с опорным напряжением VREF (путем их вычитания) и изменяя ток нагрузки, чтобы поддерживать VI (почти) равным VREF. В результате ток остается (почти) постоянным независимо от нагрузки и изменений напряжения питания. Проще говоря, постоянное напряжение на постоянном сопротивлении создает постоянный ток .

Для любопытных: в этой конфигурации вход транзистора (переход база-эмиттер) управляется по схеме с общей базой со стороны эмиттера (VI), в то время как на базе поддерживается постоянное напряжение (VREF).

Рис. 1. В классическом источнике постоянного тока каскад с общим эмиттером с вырождением RI управляется внешним источником опорного напряжения VREF

Теперь посмотрите на полосы напряжения (красные), которые визуализируют напряжения и графически показывают связь между ними (VI + VCE + VL = VCC и VI + VBE = VREF) ... это геометрическая интерпретация KVL. Очевидно, что для получения максимального напряжения соответствия VL, VI должно быть минимальным (VCE может быть достаточно низким до насыщения транзистора). Это означает, что VREF должен быть минимальным, но выше, чем VBE. Что может быть таким источником низкого напряжения? Возможно, батарейка на 1,5 В сослужит хорошую службу... но ее придется часто менять...

2. Эталонная диодная сеть. Основным принципом схем является получение всех необходимых напряжений от одного источника питания. Тогда использовать делитель напряжения R1-R2? Да... но нам нужно опорное (стабильное, постоянное) напряжение, не зависящее от перепадов напряжения. Таким образом, мы должны заменить R2 элементом стабилизации напряжения, "выдающим" минимальное напряжение. Кремниевый диод является таким элементом ... но он «производит» только одно падение на диоде VF = 0,7 В, которое будет полностью потеряно на переходе база-эмиттер с VBE = VF = 0,7 В. Таким образом, нам нужно как минимум два диода последовательно. при общем напряжении 2 х 0,7 В = 1,4 В (рис. 2). В результате на RI будет приложено падение напряжения на одном диоде 0,7 В.

Рис. 2. Практически транзистор управляется эталонной 2-диодной схемой с общим напряжением 2VBE

Однако это не лучшее решение по нескольким причинам. Во-первых, нам нужно два элемента вместо одного. Затем, если мы заменим T транзистором Дарлингтона (например, Q16-Q17 в схеме 741 выше), мы должны добавить еще один диод в цепочку. Кроме того, диодные p-n переходы не полностью идентичны переходам база-эмиттер; поэтому колебания температуры не будут полностью компенсированы. Затем заменить их переходами база-эмиттер транзисторов? Да... но Видлар придумал более умное решение - так называемый "активный диод". Что это за диод?

3. Опорный «активный диод». Это не диод... это транзистор, работающий как диод (в том смысле, что поддерживает постоянное напряжение VCE = VF)... а точнее говоря, это схема с отрицательной обратной связью по напряжению . Я подозреваю, что он был снова изобретен Видларом как входная часть простого токового зеркала BJT... но у меня нет доказательств этого.

Эта «схема» состоит только из транзистора, коллектор которого соединен с базой. Таким образом, сеть обратной связи здесь — просто кусок провода. В результате такого скромного подключения резко меняется поведение транзистора - со стабилизатора тока на стабилизатор напряжения ("диод" с VF=VBE=0,7 В).

Вроде бы для получения 1,4 В надо соединить два активных диода последовательно. Но можно сделать это более оригинальным способом - вставив диод в цепь обратной связи между коллектором и базой. Это заставит транзистор "поднять" напряжение коллектора еще на 0,7 В. Такой "диодной сетью" может служить переход база-эмиттер...

А вот и гениальная идея Видлара - использовать существующий переход база-эмиттер Т2 в качестве необходимой диодной схемы (рис. 3)! Таким образом, мы можем рассматривать соединенные между собой транзисторы Т1 и Т2 как активный диод с эмиттерным повторителем в цепи обратной связи . Вот в чем "дьявольский" прием Видлара... В чем же главное преимущество этого решения?

Рис. 3. В оригинальной схеме Видлара транзистор управляется эталонным «активным диодом» Т1 с напряжением 2VBE

«Прямое падение напряжения» этого «составного диода» является адаптивным (саморегулирующимся). В данном случае это 2VBE = 1,4 В. Но если мы заменим T2 транзистором Дарлингтона (например, Q16-Q17 на верхнем рисунке), T1 «поднимет» напряжение на своем коллекторе еще на 0,7 В и станет 3VBE = 2,1 В. Таким образом, 1,4 В из них упадет на оба перехода база-эмиттер транзистора Дарлингтона... и такое же напряжение VBE = 0,7 В, как и раньше, будет приложено к RI.

Для любопытных: Интересно, что здесь переход база-эмиттер управляется дифференциальным образом как со стороны эмиттера, так и со стороны базы. Например, если ток нагрузки увеличивается, напряжение эмиттера увеличивается, а напряжение базы уменьшается.

В завершение первой части этого рассказа вспомним, как реализован принцип отрицательной обратной связи в этом повторителе напряжения (рис. 4). Он визуализируется полосами напряжения (красными), чтобы помочь нашему воображению. Выходное напряжение VE и входное напряжение VREF = 2VBE вычитаются последовательно (KVL) во входном контуре (выделены желтым цветом); результат подается на вход T2 (переход база-эмиттер).

Рис. 4. Напряжение эмиттера на резисторе RI вычитается из опорного напряжения 2VBE одним вычитающим контуром (желтым цветом)

Источник напряжения с ограничением тока

Давайте теперь посмотрим, как гениальная схема Видлара может работать в качестве ограничителя тока (как на обведенном фрагменте выходного каскада операционного усилителя вверху). Это схемотехническое решение широко используется не только в усилителях, но и в различных источниках напряжения (регуляторы, стабилизаторы и т.п.). Было бы интересно узнать, позаимствовали ли они эту идею у него, а затем эксплуатировали ее через 50 лет после ее изобретения... Но давайте посмотрите, в чем заключается идея этого ограничения тока ...

Собственно схема Видлара состоит всего из двух элементов - транзистора Т1 и резистора RI ... гениальная простота... Ее можно присоединить к любому регулирующему транзистору, превратив транзисторный каскад в источник тока. Ему не нужна земля... он может парить.

У него есть еще одно замечательное свойство — порог напряжения 0,7 В. Это означает, что он будет работать только в том случае, если ток нагрузки достаточно велик, чтобы создать такое падение напряжения на RI. Иначе не получится... Транзистор Т1 не повлияет на Т2. Таким образом, он преобразует источник напряжения в источник тока после того, как ток нагрузки превысит пороговое значение тока.

Давайте воспользуемся этими уникальными свойствами для создания повторителя напряжения с ограничением тока (оригинальная идея Видлара, реализованная в ОУ 301).

4. Ограничение выключено. При токе нагрузки IL ниже порога тока (рис. 5) падение напряжения на RI меньше VBE = 0,7 В. Транзистор Т1 закрыт и вход не шунтирует (ничего не делает и может быть удален). T2 действует как обычный эмиттерный повторитель, управляемый переменным входным напряжением VIN и питающий нагрузку RL. Сопротивление RI пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки RL, а VBE пренебрежимо мало по сравнению с VIN. Таким образом, почти все входное напряжение появляется на нагрузке.

Рис. 5. При выключенном ограничении тока Т2 действует как эмиттерный повторитель, управляемый изменяющимся входным напряжением VIN и питающий нагрузку RL

Посмотрим теперь, как реализован принцип отрицательной обратной связи в этом повторителе напряжения (рис. 6). В отличие от рис. 4, здесь все выходные напряжения VE на нагрузке (RI пренебрегаем) и все входные напряжения VIN вычитаются последовательно (KVL) во внешнем входном контуре (выделены желтым цветом); результат подается на вход T2 (переход база-эмиттер). Чтобы представить разницу, сравните длину полосок напряжения (выделены красным) на обоих рисунках.

Рис. 6. В эмиттерном повторителе Т2 напряжение эмиттера на RL вычитается из входного напряжения VIN во внешнем вычитающем контуре (выделено желтым цветом); РИ игнорируется

5. Ограничение по. Когда ток нагрузки IL превышает порог тока (рис. 7), падение напряжения на RI достигает порога 0,7 В. Ситуация аналогична рис. 3 выше. Транзистор Т1 начинает проводить, и появляется отрицательная обратная связь. T2 снова действует как эмиттерный повторитель... но теперь он управляется небольшим постоянным (опорным) напряжением VREF = 2VBE... и поддерживает небольшое постоянное напряжение VBE = 0,7 В на постоянном RI. В результате ток IL через нагрузку постоянен ... источник переменного напряжения (эмиттерный повторитель Т2) сверху преобразуется в источник постоянного тока с фиксированным током... и Т2 защищен от повреждений.

Теперь посмотрите на токовую петлю IIN (зеленую) и представьте, что нагрузка представляет собой короткое соединение. В петле нет никакого сопротивления; текущий ИИН будет неограничен... и Т1 может быть поврежден. Т1 защищает Т2... но "умирает"... Значит, источник входного напряжения должен быть неидеальным... с некоторым внутренним сопротивлением.

Рис. 7. При включенном ограничении тока Т2 работает как источник постоянного тока, управляемый опорным активным диодом Т1 с напряжением 2VBE

Токовые петли (зеленые) помогут вам представить работу схемы в этом режиме. Они нарисованы по принципу, что каждое течение возвращается туда, откуда оно началось .

В завершение этого рассказа посмотрим, как реализован принцип отрицательной обратной связи в этом источнике напряжения, выступающем в роли источника тока - рис. 8. Как видите, он эквивалентен рис. 4. На обоих рисунках напряжение VE между RI и входным опорным напряжением VREF = 2VBE последовательно вычитаются (KVL) в одном и том же входном контуре (выделены желтым цветом); результат применяется к переходу база-эмиттер T2. Единственное отличие состоит в том, что вычитающая петля на рис. 4 заземлена, а на рис. 8 — плавающая.

Рис. 8. В источнике постоянного тока Т2 напряжение эмиттера на RI вычитается из опорного напряжения VREF = 2VBE во внутреннем вычитающем контуре (выделено желтым цветом)

6. Еще примеры. Ту же идею Видлар реализовал в выходном каскаде повторителя напряжения LM110, но на транзисторах Дарлингтона Q5, Q6 (рис. 9). При включенном ограничении Q7 «поднимает» свое коллекторное напряжение еще на 0,7 В, и оно становится 3VBE = 2,1 В. Из них 1,4 В падает на переходы база-эмиттер Q5 и Q6, а на R6 подается напряжение VBE = 0,7 В. ; поэтому выходной ток ограничен VBE/R6. Это пример источника тока, защищенного схемой ограничения тока.

Рис. 9. В выходном каскаде повторителя напряжения LM110 мы видим ту же идею Видлара, но применительно к транзистору Дарлингтона Q5, Q6

Мы можем видеть повсеместную схему во внутренней структуре 741, о которой мы говорили... но теперь она действует как приемник тока. Он реализован на транзисторах Дарлингтона Q16,Q17 (рис. 10) и ограничительном транзисторе Q22. При включенном ограничении Q22 «поднимает» свое коллекторное напряжение еще на 0,7 В, и оно становится 3VBE = 2,1 В. Из них 1,4 В падает на переходы база-эмиттер Q16 и Q17, а на R11 подается напряжение VBE = 0,7 В; поэтому выходной ток ограничен VBE/R11. Это пример стока тока, защищенного схемой ограничения тока (фактически защищен выходной транзистор Q20).

Рис. 10. Во втором усилительном каскаде операционного усилителя 741 мы можем видеть ту же идею Видлара, примененную к транзистору Дарлингтона Q16, Q17.

И, наконец, посмотрим на эту «гениальную простоту» на какой-нибудь схеме регулятора напряжения (рис. 11). Я «украл» его из связанного вопроса StackExchange .

Рис. 11. Схема Видлара (Q2 и RD), встроенная в классический транзисторный стабилизатор напряжения

Я завершил свой рассказ открытием основной идеи уникальной схемы Видлара. Надеюсь, это поможет вам установить связь между (на первый взгляд) разными схемными решениями... увидеть общее за конкретным...

Очень легко распознать фундаментальную разницу, основываясь на отношении выходного импеданса коллектора или эмиттера к нагрузке. Импеданс нагрузки определяет, используется ли он всегда для регулирования ограниченного тока или в случае чрезмерного линейного выхода, который может привести к перегреву. Как обычно, это всегда создает падение на 1,5–2 В от источника питания в операционных усилителях на стороне высокого напряжения NPN двухтактного выхода в зависимости от того, является ли он одинарным или двойным Q, стадией Дарлингтона, например, в некоторых LDO.

Ограничитель тока: режим эмиттерного повторителя (он же общий коллектор). Zo= Rb/hFe до тех пор, пока напряжение на датчике тока R не достигнет 600 мВ для обратной связи Ic= 1 мА для любого значения резистора датчика. Его можно использовать в качестве линейного дополнительного драйвера с низким током холостого хода или в качестве насыщенного стока/источника.

Токовый приемник/источник: режим с открытым коллектором для нагрузки (также известный как NPN/PNP с общим эмиттером) представляет собой высокое сопротивление I=600 мВ/Rs с нормальными допусками Vbe по отношению к температуре и R.