- Millora del circuit bàsic de mirall de corrent
- Circuit de mirall actual de Wilson
- Avantatges i limitació de la tècnica del mirall actual de Wilson
- Exemple pràctic del circuit de mirall actual de Wilson
- Tècnica de mirall actual de Widlar
- Analitzar i derivar la impedància de sortida del circuit de mirall de corrent de widlar
A l’article anterior, vam parlar sobre el circuit de mirall actual i com es pot construir mitjançant transistors i MOSFET. Tot i que el circuit de mirall de corrent bàsic es pot construir utilitzant dos components actius simples, BJT i MOSFET o mitjançant un circuit amplificador, la sortida no és perfecta, ja que té certes limitacions i dependències de les coses externes. Per obtenir una sortida estable, s’utilitzen tècniques addicionals en circuits de mirall de corrent.
Millora del circuit bàsic de mirall de corrent
Hi ha diverses opcions per millorar la sortida del circuit de mirall actual. En una de les solucions s’afegeixen un o dos transistors sobre el disseny tradicional de dos transistors. La construcció d’aquests circuits utilitza la configuració del seguidor de l’emissor per superar el desajust de corrent base dels transistors. El disseny pot tenir un tipus diferent d’estructura de circuits per equilibrar la impedància de sortida.
Hi ha tres mètriques principals per analitzar el rendiment actual del mirall com a part d’un circuit gran.
1. La primera mètrica és la quantitat d'error estàtic. És la diferència entre els corrents d’entrada i sortida. És una tasca difícil minimitzar la diferència, ja que la diferència de la conversió de sortida diferencial d’un sol final amb el guany de l’amplificador diferencial és responsable de controlar la relació de rebuig del mode comú i la font d’alimentació.
2. La següent mètrica més crucial és la impedància de sortida de la font actual o la conductància de sortida. És crucial perquè afecta de nou l’escenari mentre la font actual actua com una càrrega activa. També afecta el guany de mode comú en diferents situacions.
3. Per al funcionament estable dels circuits de mirall de corrent, l' última mètrica important són les tensions mínimes provinents de la connexió del rail d'alimentació situada a través dels terminals d'entrada i sortida.
Així doncs, per millorar la sortida del circuit bàsic de mirall de corrent, tenint en compte totes les mètriques de rendiment anteriors, aquí parlarem de les tècniques de mirall de corrent populars: circuit de mirall de corrent Wilson i circuit de font de corrent de widlar.
Circuit de mirall actual de Wilson
Tot va començar amb un repte entre dos enginyers, George R. Wilson i Barrie Gilbert, per fer un circuit de mirall de corrent millorat durant la nit. No cal dir que George R. Wilson va guanyar el desafiament el 1967. Del nom de George R. Wilson, el circuit de mirall de corrent millorat dissenyat per ell es diu Circuit de mirall actual de Wilson.
El circuit de mirall actual de Wilson utilitza tres dispositius actius que accepten el corrent a través de la seva entrada i proporcionen la còpia exacta o la còpia duplicada del corrent a la seva sortida.
Al circuit de mirall actual de Wilson, hi ha tres components actius que són BJT i una sola resistència R1.
Aquí es fan dos supòsits: un és que tots els transistors tenen el mateix guany de corrent, i el segon és que les corrents del col·lector de T1 i T2 són iguals, ja que el T1 i el T2 coincideixen i el mateix transistor. Per tant
I C1 = I C2 = I C
I això també s'aplica al corrent base, I B1 = I B2 = I B
El corrent base del transistor T3 es pot calcular fàcilment pel guany de corrent, que és
I B3 = I C3 / β… (1)
I el corrent emissor del T3 serà
I B3 = ((β + 1) / β) I C3… (2)
Si observem l'esquema anterior, el corrent a través de l'emissor T3 és la suma del corrent del col·lector de T2 i dels corrents de base de T1 i T2. Per tant, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Ara, com es va comentar anteriorment, es pot avaluar com a
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Per tant, I E3 = (1+ (2 / β)) I C
El I E3 es pot canviar segons (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
El corrent del col·lector es pot escriure com:
I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3… (3)
Una vegada més, segons l'esquema del corrent
L'equació anterior pot dibuixar una relació entre el corredor dels col·lectors del tercer transistor amb la resistència d'entrada. Com? Si 2 / (β (β + 2)) << 1, llavors la I C3 ≈ I R1. El corrent de sortida també es pot calcular fàcilment si la tensió de l’emissor base dels transistors és inferior a 1V.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Per tant, per obtenir un corrent de sortida adequat i estable, el R 1 i el V 1 han d’estar en valors adequats. Per fer que el circuit actuï com una font de corrent constant, cal substituir el R1 per una font de corrent constant.
Millora del circuit de mirall actual de Wilson
El circuit de mirall actual de Wilson es pot millorar encara més per obtenir una precisió perfecta afegint un altre transistor.
El circuit anterior és la versió millorada del circuit de mirall actual de Wilson. El quart transistor T4 s’afegeix al circuit. El transistor addicional T4 equilibra la tensió del col·lector de T1 i T2. La tensió del col·lector de T1 s’estabilitza en la quantitat igual al V BE4. Això resulta en finit
Avantatges i limitació de la tècnica del mirall actual de Wilson
El circuit actual del mirall té diversos avantatges en comparació amb el circuit bàsic tradicional del mirall.
- En cas de circuit bàsic de mirall de corrent, el desajust de corrent base és un problema comú. Tanmateix, aquest circuit de mirall de corrent de Wilson pràcticament elimina l'error d'equilibri de corrent base. A causa d'això, el corrent de sortida és gairebé precís a partir del corrent d'entrada. No només això, el circuit utilitza una impedància de sortida molt elevada a causa de la retroalimentació negativa a través del T1 des de la base del T3.
- El circuit de mirall de corrent Wilson millorat es fa mitjançant 4 versions de transistors, de manera que és útil per al funcionament a corrents elevats.
- El circuit de mirall de corrent Wilson proporciona una baixa impedància a l'entrada.
- No requereix tensió de biaix addicional i es necessiten recursos mínims per construir-lo.
Limitacions del mirall actual de Wilson:
- Quan el circuit de mirall de corrent de Wilson està esbiaixat amb la màxima freqüència alta, el bucle de retroalimentació negativa causa inestabilitat en la resposta de freqüència.
- Té una tensió de conformitat més alta en comparació amb el circuit bàsic de mirall de corrent de dos transistors.
- El circuit de mirall actual de Wilson crea soroll a la sortida. Això es deu a la retroalimentació que augmenta la impedància de sortida i afecta directament el corrent del col·lector. La fluctuació del corrent del col·lector aporta sorolls a la sortida.
Exemple pràctic del circuit de mirall actual de Wilson
Aquí es simula el mirall actual de Wilson mitjançant Proteus.
Els tres components actius (BJT) s’utilitzen per fabricar els circuits. Els BJT són tots 2N2222, amb les mateixes especificacions. El pot està seleccionat per canviar el corrent del col·lector Q2, que reflectirà encara més el col·lector Q3. Per a la càrrega de sortida, s'està seleccionant una resistència de 10 Ohms.
Aquí teniu el vídeo de simulació de Wilson Current Mirror Technique-
Al vídeo, la tensió programada a través del col·lector de Q2 es reflecteix a través del col·lector Q3.
Tècnica de mirall actual de Widlar
Un altre circuit excel·lent de mirall de corrent és el circuit de font de corrent de Widlar, inventat per Bob Widlar.
El circuit és exactament el mateix que el circuit de mirall de corrent bàsic mitjançant dos transistors BJT. Però hi ha una modificació en el transistor de sortida. El transistor de sortida utilitza una resistència de degeneració de l’emissor per proporcionar corrents baixos a través de la sortida utilitzant només valors de resistència moderats.
Un dels exemples d’aplicacions més populars de la font de corrent Widlar es troba al circuit amplificador operatiu uA741.
A la imatge següent, es mostra un circuit de font de corrent Widlar.
El circuit consta només de dos transistors T1 i T2 i dos resistors R1 i R2. El circuit és el mateix que el circuit de mirall de corrent dels dos transistors sense R2. El R2 està connectat en sèrie amb l’emissor T2 i la terra. Aquesta resistència emissora redueix efectivament el corrent a través del T2 en comparació amb el T1. Això es fa mitjançant la caiguda de tensió a través d'aquesta resistència, aquesta caiguda de tensió redueix la tensió de l'emissor base del transistor de sortida, cosa que provoca una reducció del corrent del col·lector a través del T2.
Analitzar i derivar la impedància de sortida del circuit de mirall de corrent de widlar
Com es va esmentar anteriorment, el corrent a través de T2 es redueix en comparació amb el corrent T1, que es pot provar i analitzar encara més mitjançant simulacions Cadence Pspice. Vegem la construcció i simulacions del circuit Widlar a la imatge següent,
El circuit està construït en Cadence Pspice. Als transistors s’utilitzen dos transistors amb la mateixa especificació, que és el 2N2222. Les sondes actuals mostren la trama actual a través del col·lector Q2 i Q1.
La simulació es pot veure a la imatge següent.
A la figura anterior, la trama vermella, que és el corrent del col·lector de Q1, es redueix mentre es compara amb Q2.
Aplicant KVL (Kirchhoff's Voltage Law) a la unió base-emissor del circuit, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
El β 2 és per al transistor de sortida. És completament diferent del transistor d'entrada, ja que la gràfica de corrent del gràfic de simulació mostra clarament que el corrent en dos transistors és diferent.
La fórmula final es pot extreure de la fórmula anterior si es suprimeix el β finit i si canviem l’I C1 com I IN i I C2 com I OUT. Per tant,
Per mesurar la resistència de sortida de la font de corrent Widlar, el circuit de senyal petit és una opció útil. La imatge següent és un circuit de senyal petit equivalent per a la font de corrent Widlar.
El corrent Ix s'aplica a través del circuit per mesurar la resistència de sortida del circuit. Per tant, segons la llei d’Ohms, la resistència de sortida és
Vx / Ix
La resistència de sortida es pot determinar aplicant la llei de Kirchoff a través del terra esquerre al R2, és
De nou, aplicant la llei de tensió de Kirchhoff a través de la terra R2 a la terra del corrent d'entrada, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Ara, canviant el valor, l’equació final per obtenir la resistència de sortida del circuit de mirall de corrent de widlar és
Així doncs, és així com es poden utilitzar les tècniques de mirall actuals de Wilson i Widlar per millorar els dissenys del circuit bàsic de mirall de corrent.