Струм дзеркальної схеми: техніка дзеркального відображення струму Вільсона та Відлара

У попередній статті ми обговорювали схему Current Mirror Circuit та те, як її можна побудувати за допомогою транзисторів та MOSFET-транзисторів. Незважаючи на те, що основну схему дзеркального струму можна побудувати за допомогою двох простих активних компонентів, BJT і MOSFET, або за допомогою схеми підсилювача, вихід не є ідеальним, оскільки він має певні обмеження та залежності від зовнішніх речей. Тож для отримання стабільного виходу в поточних дзеркальних схемах використовуються додаткові методи.

Удосконалення базової схеми дзеркал струму

Існує кілька варіантів поліпшення виходу схеми Current Mirror Circuit. В одному з рішень один або два транзистори додаються до традиційної конструкції двох транзисторів. Конструкція цих схем використовує конфігурацію послідовника випромінювача для подолання невідповідності базового струму транзисторів. Конструкція може мати різний тип структури ланцюга, щоб збалансувати вихідний опір.

Існує три основні показники для аналізу поточної продуктивності дзеркала як частини великої схеми.

1. Перший показник - це величина статичної помилки. Це різниця між вхідним та вихідним струмами. Це мінімальне завдання - мінімізувати різницю, оскільки різниця диференціального однобічного перетворення вихідного сигналу з диференціальним підсилювачем підсилювача відповідає за контроль коефіцієнта відхилення загального режиму та джерела живлення.

2. Наступна найбільш важлива Метрика вихідний струм опір джерела або вихідна провідність. Це має вирішальне значення, оскільки воно знову впливає на сцену, коли джерело струму діє як активне навантаження. Це також впливає на посилення загального режиму в різних ситуаціях.

3. Для стабільної роботи ланцюгів дзеркал струму останньою важливою метрикою є мінімальні напруги, що надходять від силового рельсового з'єднання, розташованого на вхідних і вихідних клемах.

Отже, щоб покращити вихід базової схеми поточного дзеркала, враховуючи всі вищезазначені показники продуктивності, тут ми обговоримо популярні методи поточного дзеркала - схему поточного дзеркала Вільсона та схему джерела струму Widlar.

Струм дзеркальної схеми Вільсона

Все почалося з виклику між двома інженерами, Джорджем Р. Вільсоном та Баррі Гілбертом, щоб за одну ніч створити вдосконалену схему поточного дзеркала. Само собою зрозуміло, що Джордж Р. Вільсон виграв виклик у 1967 році. Від імені Джорджа Р. Вільсона вдосконалена схема дзеркального струму, розроблена ним, називається схемою дзеркального струму Вільсона.

Струм дзеркального струму Вільсона використовує три активні пристрої, які приймають струм через його вхід і надають точну копію або дзеркальну копію струму на свій вихід.

У вищезазначеній схемі дзеркального струму Вільсона є три активні компоненти - це BJT і один резистор R1.

Тут зроблено два припущення - одне полягає в тому, що всі транзистори мають однаковий коефіцієнт посилення струму, який є, а друге - те, що струми колекторів Т1 і Т2 рівні, оскільки Т1 і Т2 відповідають одному і тому ж транзистору. Тому

I _C1 = I _C2 = I _C

І це стосується і базового струму, I _B1 = I _B2 = I _B

Базовий струм транзистора Т3 можна легко розрахувати за коефіцієнтом посилення струму, який становить

I _B3 = I _C3 / β… (1)

І струм випромінювача Т3 буде

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3 … (2)

Якщо ми подивимося на вищенаведену схему, сила струму через випромінювач Т3 є сумою струму колектора Т2 і струму бази Т1 і Т2. Отже, I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

Тепер, як обговорювалося вище, це можна додатково оцінити як

I _E3 = I _C + I _B + I _B I _E3 = I _C + 2I _B

Отже, I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

I _E3 можна змінити відповідно до (2)

((β + 1) / β)) I _C3 = (1+ (2 / β)) I _C

Струм колектора можна записати як, I _C = ((1+ β) / (β + 2)) I _C3 … (3)

Знову ж за схемою струм через

Вищевказане рівняння може скласти залежність між струмом третього транзисторного колектора та вхідним резистором. Як? Якщо 2 / (β (β + 2)) << 1, то I _C3 ≈ I _R1. Вихідний струм також можна легко розрахувати, якщо напруга базового випромінювача на транзисторах менше 1В.

I _C3 ≈ I _R1 = (V ₁ - V _BE2 - V _BE3) / R ₁

Отже, для належного і стабільного вихідного струму R ₁ і V ₁ повинні мати належні значення. Щоб схема діяла як джерело постійного струму, R1 потрібно замінити джерелом постійного струму.

Удосконалення схеми дзеркал струму Вільсона

Струм дзеркального струму Вільсона можна додатково вдосконалити, щоб отримати ідеальну точність , додавши ще один транзистор.

Вищевказана схема є вдосконаленою версією схеми дзеркала струму Вільсона. Четвертий транзистор T4 доданий в схему. Додатковий транзистор Т4 врівноважує колекторну напругу Т1 і Т2. Напруга колектора T1 стабілізується на величину, рівну V _BE4. Це призводить до скінченного

а також стабілізувати різницю напруг між Т1 і Т2.

Переваги та обмеження дзеркальної техніки Вільсона

Струм дзеркальної схеми має ряд переваг у порівнянні з традиційною базовою схемою дзеркала струму -

1. У випадку базової схеми дзеркала струму невідповідність базового струму є загальною проблемою. Однак ця схема дзеркального струму Вільсона практично усуває базову помилку балансу струму. Завдяки цьому вихідний струм наближається до точного ставлення до вхідного струму. Мало того, схема використовує дуже високий вихідний опір через негативний зворотний зв'язок через Т1 з основою Т3.
2. Вдосконалена схема дзеркального струму Вільсона виконана з використанням 4 транзисторних версій, тому вона корисна для роботи при сильних струмах.
3. Струм дзеркального кола Вільсона забезпечує низький імпеданс на вході.
4. Це не вимагає додаткової напруги зміщення, і для її побудови потрібні мінімальні ресурси.

Обмеження поточного дзеркала Вільсона:

1. Коли дзеркальна схема Вільсона зміщена з максимально високою частотою, петля негативного зворотного зв'язку викликає нестабільність у частотній характеристиці.
2. Він має вищу напругу відповідності порівняно з базовою ланцюгом дзеркального струму з двох транзисторів.
3. Струм дзеркала Вільсона створює шум на виході. Це пов'язано з зворотним зв'язком, який підвищує вихідний опір і безпосередньо впливає на струм колектора. Коливання струму колектора створює шуми на виході.

Практичний приклад схеми поточного дзеркала Вільсона

Тут поточне дзеркало Вільсона моделюється за допомогою Proteus.

Три активні компоненти (BJT) використовуються для створення схеми. Всі BJT є 2N2222, з однаковими технічними характеристиками. Горщик обраний для зміни струму на колекторі Q2, що надалі відображатиметься на колекторі Q3. Для вихідного навантаження вибирається резистор 10 Ом.

Ось імітаційне відео для технології Wilson Current Mirror-

У відеозаписі запрограмована напруга на колекторі Q2 відображається на колекторі Q3.

Техніка дзеркального струму Widlar

Ще однією чудовою схемою дзеркального струму є схема джерела струму Widlar, винайдена Бобу Відларом.

Схема точно така ж, як і основна схема дзеркального струму з використанням двох транзисторів BJT. Але є модифікація вихідного транзистора. Вихідний транзистор використовує резистор виродження випромінювача для забезпечення низьких струмів на виході, використовуючи лише помірні значення резистора.

Одним із популярних прикладів застосування джерела струму Widlar є схема операційного підсилювача uA741.

На зображенні нижче показано схему джерела струму Widlar.

Схема складається лише з двох транзисторів T1 & T2 і двох резисторів R1 & R2. Схема така ж, як у двох дзеркальних ланцюгів струму двох транзисторів без R2. R2 з'єднаний послідовно з випромінювачем T2 і землею. Цей емітерний резистор ефективно зменшує струм через Т2 порівняно з Т1. Це відбувається за рахунок падіння напруги на цьому резисторі; це падіння напруги зменшує напругу базового випромінювача вихідного транзистора, що в подальшому призводить до зменшення струму колектора на Т2.

Аналіз та визначення вихідного імпедансу для схеми дзеркального дзеркального струму

Як уже згадувалося, струм через Т2 зменшується порівняно із струмом Т1, що може бути додатково перевірено та проаналізовано за допомогою моделювання Cadence Pspice. Давайте подивимося конструкцію схеми Відлара та моделювання на зображенні нижче,

Схема побудована в Cadence Pspice. Два транзистори з однаковими характеристиками використовуються в схемі, а це 2N2222. Поточні зонди показують поточний графік на колекторі Q2 та Q1.

Моделювання можна побачити на зображенні нижче.

На наведеному малюнку червоний графік, який є струмом колектора Q1, зменшується в порівнянні з Q2.

Застосовуючи KVL (Закон напруги Кірхгофа) через перехід базового випромінювача ланцюга, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

Β ₂ призначений для вихідного транзистора. Він повністю відрізняється від вхідного транзистора, оскільки графік струму на графіку моделювання чітко показує, що струм у двох транзисторах різний.

Остаточну формулу можна отримати з наведеної вище формули, якщо кінцевий β замінено і якщо ми змінимо I _C1 як I _IN і I _C2 як I _OUT. Отже,

Для вимірювання вихідного опору джерела струму Widlar корисною є схема малого сигналу. Наведене нижче зображення є еквівалентною схемою малого сигналу для джерела струму Widlar.

Струм Ix подається через ланцюг для вимірювання вихідного опору ланцюга. Отже, згідно із законом Омів вихідний опір становить

Vx / Ix

Вихідний опір може бути визначена шляхом застосування закону Кирхгофа через ліву землю до R2, то це-

Знову ж, застосовуючи закон напруги Кірхгофа на землі R2 до землі вхідного струму, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - βR ₀)

Тепер, змінюючи значення, остаточне рівняння для отримання вихідного опору схеми дзеркала струму Відла є

Отже, таким чином можна використовувати технології поточного дзеркала Вільсона та Відлара для вдосконалення конструкцій базової схеми дзеркал струму.