- Poprawa podstawowego obwodu lustra prądowego
- Obwód lustra prądu Wilsona
- Zalety i ograniczenia techniki Wilson Current Mirror
- Praktyczny przykład obwodu lustrzanego prądu Wilsona
- Widlar Current Mirror Technique
- Analiza i wyprowadzanie impedancji wyjściowej dla obwodu lustrzanego prądu szerokiego
W poprzednim artykule omówiliśmy obwód lustra prądu i sposób, w jaki można go zbudować za pomocą tranzystora i MOSFET. Pomimo tego, że podstawowy obwód zwierciadła prądowego można zbudować z dwóch prostych elementów aktywnych, BJT i MOSFET-ów lub z obwodu wzmacniacza, wyjście nie jest doskonałe, a także ma pewne ograniczenia i zależności od elementów zewnętrznych. Aby uzyskać stabilny sygnał wyjściowy, w bieżących obwodach lustrzanych stosowane są dodatkowe techniki.
Poprawa podstawowego obwodu lustra prądowego
Istnieje kilka opcji ulepszenia wyjścia obwodu lustra prądu. W jednym z rozwiązań jeden lub dwa tranzystory są dodawane w stosunku do tradycyjnego projektu dwóch tranzystorów. Konstrukcja tych obwodów wykorzystuje konfigurację wtórnika emitera w celu przezwyciężenia niedopasowania prądu bazowego tranzystorów. Projekt może mieć inny rodzaj struktury obwodu, aby zrównoważyć impedancję wyjściową.
Istnieją trzy podstawowe metryki do analizy aktualnej wydajności kopii lustrzanych w ramach dużego obwodu.
1. Pierwsza metryka to kwota błędu statycznego. Jest to różnica między prądami wejściowymi i wyjściowymi. Zminimalizowanie różnicy jest trudnym zadaniem, ponieważ różnica między różnicową konwersją sygnału wyjściowego single-ended z różnicowym wzmocnieniem wzmacniacza jest odpowiedzialna za kontrolę współczynnika tłumienia trybu wspólnego i zasilania.
2. obok najważniejsze metryki jest obecny impedancja wyjściowa źródła lub przewodnictwo wyjście. Jest to kluczowe, ponieważ ponownie oddziałuje na stopień, podczas gdy obecne źródło działa jak aktywne obciążenie. Wpływa również na wzmocnienie trybu wspólnego w różnych sytuacjach.
3. Dla stabilnej pracy obwodów zwierciadła prądowego ostatnią ważną miarą są minimalne napięcia pochodzące z połączenia szyny zasilającej zlokalizowanej w poprzek zacisków wejściowych i wyjściowych.
Aby poprawić wydajność podstawowego obwodu lustrzanego prądu, biorąc pod uwagę wszystkie powyższe wskaźniki wydajności, omówimy tutaj popularne techniki lustra prądu - obwód lustra prądu Wilsona i obwód źródła prądu Widlar.
Obwód lustra prądu Wilsona
Wszystko zaczęło się od wyzwania między dwoma inżynierami, George'em R. Wilsonem i Barrie Gilbertem, aby przez noc stworzyć ulepszony obwód lustra prądu. Nie trzeba dodawać, że George R. Wilson wygrał wyzwanie w 1967 roku. Od nazwiska George'a R. Wilsona, ulepszony obwód zwierciadła prądowego zaprojektowany przez niego nazywa się Obwód lustra prądu Wilsona.
Obwód zwierciadła prądowego Wilsona wykorzystuje trzy aktywne urządzenia, które przyjmują prąd na jego wejściu i zapewniają dokładną kopię lub lustrzaną kopię prądu na wyjściu.
W powyższym obwodzie zwierciadła prądowego Wilsona znajdują się trzy aktywne elementy, którymi są BJT i pojedynczy rezystor R1.
Przyjęto tu dwa założenia - jedno jest takie, że wszystkie tranzystory mają to samo wzmocnienie prądowe, a drugie to, że prądy kolektora T1 i T2 są równe, ponieważ T1 i T2 są dopasowane i ten sam tranzystor. W związku z tym
I C1 = I C2 = I C
Dotyczy to również prądu podstawowego, I B1 = I B2 = I B
Prąd bazowy tranzystora T3 można łatwo obliczyć na podstawie wzmocnienia prądu, czyli
I B3 = I C3 / β… (1)
A prąd emitera T3 będzie
I B3 = ((β + 1) / β) I C3 … (2)
Jeśli spojrzymy na powyższy schemat, prąd na emiterze T3 jest sumą prądu kolektora T2 i prądów bazowych T1 i T2. W związku z tym, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Teraz, jak omówiono powyżej, można to dalej ocenić jako
Ja E3 = Ja C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
W związku z tym, Ja E3 = (1+ (2 / β)) Ja C
I E3 można zmienić zgodnie z (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) Ja C
Prąd kolektora można zapisać jako, Ja C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Ponownie zgodnie ze schematem przepływ prądu
Z powyższego równania można narysować zależność między prądem kolektorów trzeciego tranzystora a rezystorem wejściowym. W jaki sposób? Jeśli 2 / (β (β + 2)) << 1 to I C3 ≈ I R1. Prąd wyjściowy można również łatwo obliczyć, jeśli napięcie baza-emiter tranzystorów jest mniejsze niż 1 V.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Tak więc, aby uzyskać prawidłowy i stabilny prąd wyjściowy, R 1 i V 1 muszą mieć odpowiednie wartości. Aby obwód działał jako źródło prądu stałego, R1 należy zastąpić źródłem prądu stałego.
Poprawa obwodu lustra prądowego Wilsona
Obwód zwierciadła prądowego Wilsona można dodatkowo ulepszyć, aby uzyskać doskonałą dokładność , dodając kolejny tranzystor.
Powyższy obwód jest ulepszoną wersją obwodu zwierciadła prądowego Wilsona. W obwodzie dodano czwarty tranzystor T4. Dodatkowy tranzystor T4 równoważy napięcie kolektora T1 i T2. Napięcie kolektora T1 jest stabilizowane o wartość równą V BE4. Skutkuje to skończeniem
Zalety i ograniczenia techniki Wilson Current Mirror
Obwód zwierciadła prądowego ma kilka zalet w porównaniu z tradycyjnym podstawowym obwodem zwierciadła prądowego.
- W przypadku podstawowego obwodu zwierciadła prądowego częstym problemem jest niedopasowanie prądu podstawowego. Jednak ten obwód zwierciadła prądowego Wilsona praktycznie eliminuje błąd równowagi prądu podstawowego. Z tego powodu prąd wyjściowy jest zbliżony do dokładności prądu wejściowego. Nie tylko to, obwód wykorzystuje bardzo wysoką impedancję wyjściową ze względu na ujemne sprzężenie zwrotne na T1 od podstawy T3.
- Ulepszony obwód zwierciadła prądowego Wilsona jest wykonany przy użyciu 4 wersji tranzystorowych, dzięki czemu jest przydatny do pracy przy dużych prądach.
- Obwód zwierciadła prądowego Wilsona zapewnia niską impedancję na wejściu.
- Nie wymaga dodatkowego napięcia polaryzacji, a do jego budowy potrzebne są minimalne zasoby.
Ograniczenia Wilson Current Mirror:
- Gdy obwód zwierciadła prądowego Wilsona jest spolaryzowany z maksymalną wysoką częstotliwością, pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego powoduje niestabilność odpowiedzi częstotliwościowej.
- Ma wyższe napięcie zgodności w porównaniu z podstawowym obwodem zwierciadła prądowego z dwoma tranzystorami.
- Obwód zwierciadła prądowego Wilsona wytwarza szum na wyjściu. Wynika to ze sprzężenia zwrotnego, które podnosi impedancję wyjściową i bezpośrednio wpływa na prąd kolektora. Wahania prądu kolektora powodują szumy na wyjściu.
Praktyczny przykład obwodu lustrzanego prądu Wilsona
Tutaj lustro prądowe Wilsona jest symulowane za pomocą Proteusa.
Do wykonania obwodów zastosowano trzy aktywne komponenty (BJT). Wszystkie BJT to 2N2222, z tymi samymi specyfikacjami. Potencjometr jest wybierany w celu zmiany prądu na kolektorze Q2, który będzie dalej odzwierciedlał kolektor Q3. Dla obciążenia wyjściowego wybierany jest rezystor 10 Ohm.
Oto film symulacyjny dla Wilson Current Mirror Technique-
Na filmie zaprogramowane napięcie na kolektorze Q2 odbija się na kolektorze Q3.
Widlar Current Mirror Technique
Kolejnym doskonałym obwodem zwierciadła prądowego jest obwód źródła prądu Widlar, wynaleziony przez Boba Widlara.
Obwód jest dokładnie taki sam jak podstawowy obwód lustra prądowego z dwoma tranzystorami BJT. Ale jest modyfikacja w tranzystorze wyjściowym. Tranzystor wyjściowy wykorzystuje rezystor degeneracyjny emitera, aby zapewnić niskie prądy na wyjściu przy użyciu tylko umiarkowanych wartości rezystora.
Jednym z popularnych przykładów zastosowań źródła prądowego Widlar jest obwód wzmacniacza operacyjnego uA741.
Na poniższym obrazku pokazano obwód źródła prądu Widlar.
Obwód składa się tylko z dwóch tranzystorów T1 i T2 oraz dwóch rezystorów R1 i R2. Obwód jest taki sam, jak obwód lustra prądu dwóch tranzystorów bez R2. R2 jest połączony szeregowo z nadajnikiem T2 i masą. Ten rezystor emitera skutecznie zmniejsza prąd na T2 w porównaniu z T1. Odbywa się to poprzez spadek napięcia na tym rezystorze, ten spadek napięcia zmniejsza napięcie baza-emiter tranzystora wyjściowego, co dodatkowo skutkuje zmniejszeniem prądu kolektora na T2.
Analiza i wyprowadzanie impedancji wyjściowej dla obwodu lustrzanego prądu szerokiego
Jak wspomniano wcześniej, prąd na T2 jest zmniejszony w porównaniu z prądem T1, który można dalej testować i analizować za pomocą symulacji Cadence Pspice. Zobaczmy budowę i symulacje obwodu Widlara na poniższym obrazku,
Tor jest zbudowany w Cadence Pspice. W obwodzie zastosowano dwa tranzystory o tej samej specyfikacji, czyli 2N2222. Obecne sondy pokazują bieżący wykres na kolektorze Q2 i Q1.
Symulacji widać na poniższym zdjęciu.
Na powyższym rysunku czerwony wykres, czyli prąd kolektora Q1, zmniejsza się w porównaniu z Q2.
Stosując KVL (prawo napięcia Kirchhoffa) na złączu baza-emiter obwodu, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Β 2 jest dla tranzystora wyjściowego. Jest zupełnie inny od tranzystora wejściowego, ponieważ wykres prądu na wykresie symulacji wyraźnie pokazuje, że prąd w dwóch tranzystorach jest inny.
Ostateczny wzór można wyciągnąć z powyższego wzoru, jeśli skończony β zostanie unieważniony i jeśli zmienimy I C1 na I IN i I C2 na I OUT. W związku z tym,
Aby zmierzyć rezystancję wyjściową źródła prądu Widlara, przydatną opcją jest obwód małosygnałowy. Poniższy obraz przedstawia równoważny obwód małego sygnału dla źródła prądu Widlar.
Prąd Ix jest przykładany do obwodu w celu pomiaru rezystancji wyjściowej obwodu. Tak więc, zgodnie z prawem Ohma, rezystancja wyjściowa wynosi
Vx / Ix
Rezystancja wyjściowa może być określona przez stosowanie prawa Kirchhoff w poprzek lewej ziemi do R2, jest-
Ponownie, stosując prawo napięcia Kirchhoffa przez masę R2 do masy prądu wejściowego, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Teraz, zmieniając wartość, ostateczne równanie do wyprowadzenia rezystancji wyjściowej obwodu Lustra Prądowego Widlara to
W ten sposób można wykorzystać obecne techniki zwierciadła Wilsona i Widlara do ulepszenia projektów podstawowego obwodu zwierciadła prądowego.