- Улучшение основной схемы токового зеркала
- Схема токового зеркала Вильсона
- Преимущества и ограничения метода токового зеркала Вильсона
- Практический пример схемы токового зеркала Вильсона
- Техника токового зеркала Видлара
- Анализ и определение выходного сопротивления цепи токового зеркала Видлара
В предыдущей статье мы обсуждали текущую зеркальную схему и то, как ее можно построить с использованием транзистора и полевого МОП-транзистора. Несмотря на то, что базовая схема токового зеркала может быть построена с использованием двух простых активных компонентов, BJT и MOSFET, или с использованием схемы усилителя, выход не идеален, а также имеет определенные ограничения и зависимости от внешних факторов. Таким образом, чтобы получить стабильный выходной сигнал, в схемах токового зеркала используются дополнительные методы.
Улучшение основной схемы токового зеркала
Есть несколько вариантов улучшения выходной мощности Current Mirror Circuit. В одном из решений один или два транзистора добавляются по сравнению с традиционной двухтранзисторной конструкцией. Конструкция этих схем использует конфигурацию эмиттерного повторителя для преодоления несоответствия базового тока транзисторов. Конструкция может иметь различную структуру схемы для балансировки выходного импеданса.
Есть три основных показателя для анализа текущей работы зеркала как части большой схемы.
1. Первый показатель - это величина статической ошибки. Это разница между входным и выходным токами. Свести к минимуму разницу - сложная задача, поскольку разница между дифференциальным несимметричным выходным преобразованием и коэффициентом усиления дифференциального усилителя отвечает за управление коэффициентом подавления синфазного сигнала и источника питания.
2. Следующая наиболее важная Метрика выходной ток сопротивление источника или выходная проводимость. Это очень важно, потому что это снова влияет на каскад, когда источник тока действует как активная нагрузка. Это также влияет на усиление синфазного сигнала в различных ситуациях.
3. Для стабильной работы цепей токового зеркала последним важным показателем является минимальное напряжение, исходящее от соединения шины питания, расположенного между входными и выходными клеммами.
Итак, чтобы улучшить выходной сигнал базовой схемы токового зеркала с учетом всех вышеперечисленных показателей производительности, здесь мы обсудим популярные методы токового зеркала - схему токового зеркала Уилсона и схему источника тока Уидлара.
Схема токового зеркала Вильсона
Все началось с задачи между двумя инженерами, Джорджем Р. Уилсоном и Барри Гилбертом, сделать за одну ночь улучшенную схему зеркала тока. Излишне говорить, что Джордж Р. Уилсон выиграл этот вызов в 1967 году. От имени Джорджа Р. Уилсона разработанная им усовершенствованная схема токового зеркала получила название Wilson Current Mirror Circuit.
Схема токового зеркала Вильсона использует три активных устройства, которые принимают ток через свой вход и предоставляют точную или зеркальную копию тока на свой выход.
В вышеупомянутой схеме токового зеркала Вильсона есть три активных компонента, которые являются BJT, и один резистор R1.
Здесь сделаны два предположения: одно состоит в том, что все транзисторы имеют одинаковый коэффициент усиления по току, а второе - что токи коллектора T1 и T2 равны, поскольку T1 и T2 согласованы и один и тот же транзистор. Следовательно
Я С1 = Я С2 = Я С
То же относится и к базовому току, I B1 = I B2 = I B
Базовый ток транзистора T3 можно легко рассчитать по коэффициенту усиления по току, который равен
I B3 = I C3 / β… (1)
И ток эмиттера Т3 будет
I B3 = ((β + 1) / β) I C3 … (2)
Если мы посмотрим на приведенную выше схему, ток через эмиттер T3 представляет собой сумму тока коллектора T2 и базовых токов T1 и T2. Следовательно, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Теперь, как обсуждалось выше, это можно далее оценить как
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Следовательно, I E3 = (1+ (2 / β)) I C
I E3 можно заменить согласно (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
Ток коллектора можно записать как, I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Снова согласно схеме ток через
Вышеупомянутое уравнение позволяет установить связь между током коллектора Третьего транзистора и входным резистором. Как? Если 2 / (β (β + 2)) << 1, то I C3 ≈ I R1. Выходной ток также можно легко рассчитать, если напряжение база-эмиттер транзисторов меньше 1 В.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Таким образом, для правильного и стабильного выходного тока R 1 и V 1 должны иметь правильные значения. Чтобы схема действовала как источник постоянного тока, R1 необходимо заменить на источник постоянного тока.
Улучшение схемы токового зеркала Вильсона
Схема токового зеркала Вильсона может быть дополнительно улучшена для получения идеальной точности путем добавления еще одного транзистора.
Вышеупомянутая схема является улучшенной версией схемы токового зеркала Вильсона. В схему добавлен четвертый транзистор Т4. Дополнительный транзистор T4 уравновешивает напряжение коллектора T1 и T2. Напряжение коллектора T1 стабилизируется на величину, равную V BE4. Это приводит к конечному
Преимущества и ограничения метода токового зеркала Вильсона
Схема токового зеркала имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционной базовой схемой токового зеркала.
- В случае схемы базового токового зеркала несоответствие базового тока является распространенной проблемой. Однако эта схема токового зеркала Вильсона практически исключает ошибку баланса базового тока. Благодаря этому выходной ток близок к точности входного тока. Мало того, в схеме используется очень высокий выходной импеданс из-за отрицательной обратной связи через T1 от базы T3.
- Усовершенствованная схема токового зеркала Вильсона сделана с использованием 4 версий транзисторов, поэтому она полезна для работы при высоких токах.
- Схема токового зеркала Вильсона обеспечивает низкий импеданс на входе.
- Он не требует дополнительного напряжения смещения и требует минимальных ресурсов для его создания.
Ограничения Wilson Current Mirror:
- Когда схема токового зеркала Вильсона смещена с максимально высокой частотой, петля отрицательной обратной связи вызывает нестабильность частотной характеристики.
- Он имеет более высокое напряжение согласования по сравнению с базовой схемой двухтранзисторного зеркала.
- Схема токового зеркала Вильсона создает шум на выходе. Это происходит из-за обратной связи, которая увеличивает выходное сопротивление и напрямую влияет на ток коллектора. Колебания тока коллектора вносят вклад в шумы на выходе.
Практический пример схемы токового зеркала Вильсона
Здесь токовое зеркало Вильсона моделируется с помощью Proteus.
Три активных компонента (BJT) используются для создания схемы. Все BJT - это 2N2222 с одинаковыми характеристиками. Горшок выбирается для изменения тока на коллекторе Q2, который в дальнейшем отразится на коллекторе Q3. Для выходной нагрузки подбирается резистор на 10 Ом.
Вот видео-симуляция техники Wilson Current Mirror.
На видео запрограммированное напряжение на коллекторе Q2 отражается от коллектора Q3.
Техника токового зеркала Видлара
Еще одна отличная схема токового зеркала - схема источника тока Видлара, изобретенная Бобом Видларом.
Схема в точности такая же, как и базовая схема токового зеркала с использованием двух BJT-транзисторов. Но есть модификация выходного транзистора. В выходном транзисторе используется резистор вырождения эмиттера, чтобы обеспечить низкие токи на выходе, используя только умеренные значения резистора.
Один из популярных примеров применения источника тока Видлара - схема операционного усилителя uA741.
На изображении ниже показана схема источника тока Видлара.
Схема состоит всего из двух транзисторов T1 и T2 и двух резисторов R1 и R2. Схема такая же, как и схема токового зеркала на двух транзисторах без R2. R2 соединен последовательно с эмиттером T2 и землей. Этот эмиттерный резистор эффективно снижает ток через T2 по сравнению с T1. Это достигается за счет падения напряжения на этом резисторе, это падение напряжения снижает напряжение база-эмиттер выходного транзистора, что дополнительно приводит к уменьшению тока коллектора на T2.
Анализ и определение выходного сопротивления цепи токового зеркала Видлара
Как упоминалось ранее, ток через T2 уменьшается по сравнению с током T1, что может быть дополнительно протестировано и проанализировано с помощью моделирования Cadence Pspice. Давайте посмотрим на конструкцию и моделирование схемы Видлара на изображении ниже,
Схема построена в Cadence Pspice. В схеме используются два транзистора с одинаковой спецификацией - 2N2222. Датчики тока показывают график тока на коллекторах Q2 и Q1.
Моделирования можно увидеть на изображении ниже.
На приведенном выше рисунке красный график, который показывает, что ток коллектора Q1 уменьшается по сравнению с Q2.
Применяя KVL (закон напряжения Кирхгофа) к переходу база-эмиттер схемы, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Β 2 предназначен для выходного транзистора. Он полностью отличается от входного транзистора, поскольку график тока на графике моделирования ясно показывает, что ток в двух транзисторах различен.
Окончательная формула может быть получена из приведенной выше формулы, если конечное β отменено и если мы изменим I C1 на I IN и I C2 на I OUT. Следовательно,
Для измерения выходного сопротивления источника тока Видлара полезной опцией является схема слабого сигнала. На изображении ниже представлена эквивалентная схема малого сигнала для источника тока Видлара.
Ток Ix подается через цепь для измерения выходного сопротивления цепи. Итак, по закону Ома выходное сопротивление равно
Vx / Ix
Выходное сопротивление может быть определена путем применения закона Кирхгофа через левую землю к R2, то это-
Опять же, применяя закон Кирхгофа по напряжению между землей R2 и землей входного тока, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Теперь, изменив значение, окончательное уравнение для получения выходного сопротивления цепи Widlar Current Mirror выглядит следующим образом:
Вот как современные методы зеркального отражения Уилсона и Видлара могут быть использованы для улучшения конструкции базовой схемы текущего зеркала.