MOSFET, Zener и стабилизированное напряжение
Иногда приходится иметь дело с микросхемами, которые потребляют очень мало тока, но при этом имеют узкий диапазон входных напряжений.
С таким я столкнулся в одной микросхеме от TI, которая используется для работы с батареями.
Потребление 40uA, максимальное напряжение - 4.5V.
Батарей, как известно, может быть мало, может быть много, а напряжение у них вообще плавающее.
Как же тогда запитать микросхему?
Можно пойти по стандартному пути: взять LDO поддерживающий нужный диапазон входного напряжения и питать им только наш чип. Ток потребления маленький, даже при большом перепаде напряжения, греться ничего не будет.
Но что, если в вашей разработке идет яростная борьба за каждый цент?
Можно найти самый дешевый LDO, но у большинства из них ток собственного потребления либо сопоставим с током потребления нашей микросхемой, а чаще всего - вообще в несколько раз выше.
Для таких случаев, TI предлагает интересное решение: использовать регулятор напряжения, состоящий из транзистора, диода Зенера и резистора. Звучит весьма дешево и просто.
Более того, в даташите они даже пишут парт номера компонентов, чтоб инженер не тратил время на подбор.
И вот тут, для меня как человека со слабым бэкграундом в аналоговой электронике, начинается "черная магия"...
Симуляция показывает, что напряжение действительно стабилизируется, слабо зависит от входного и меняется при изменении напряжения на затворе.
Внешне это напоминает типичную схему с биполярным транзистором - эмитерный повторитель.
Она выглядит точно так же, только вместо MOSFET стоит биполярный транзистор. Её идея в том, что напряжение между базой и эмиттером (который подключен к нагрузке) всегда будет равно ~0.6V. А значит, если мы установим какое-то постоянное напряжение на базе, то на эмиттере будет такое же, но на 0.6V меньше.
Здесь же другой тип транзистора и такое объяснение, увы, не подходит. Да и разница напряжения между затвором и стоком порядка 1.5V.
В даташите на транзистор есть разные графики, один из них - зависимость тока стока (I drain, т.е. тока, который течет через транзистор) от напряжения на затворе относительно стока (Vgs, т.е. напряжение между затвором и нагрузкой).
Что мы сделали, с точки зрения этого графика?
- Застолбили напряжение на затворе (Vg) с помощью стабилитрона
- Ток Id задает микросхема
- Напряжение на стоке (Vs) получается "плавающим"
- А значит Vg - Vs = Vgs
- Vg нам известно. Vgs было бы известно, если б график был в децибелах, но мы примерно понимаем, что оно меньше 2V
- Вот и вырисовывается наше Vs, идущее на нагрузку: Vg - Vgs = 5.6 - 2 = 3.6V
В реальности 40 микроамперам соответствует напряжение 1.5V, но это уже не столь важно.
Ну не магия ли?! Стабилизируем напряжение с помощью графика из даташита!
Но работает эта магия только для очень маленьких токов. У некоторых транзисторов (особенно маломощных) уже при 1A напряжение на стоке в районе 0V.