Circuitul oglinzii curente: tehnici de oglindire a curentului wilson și widlar

În articolul precedent, am discutat despre circuitul curent de oglindă și despre modul în care acesta poate fi construit folosind tranzistorul și MOSFET-ul. În ciuda faptului că circuitul oglindă de curent de bază poate fi construit folosind două componente active simple, BJT și MOSFET sau folosind un circuit amplificator, ieșirea nu este perfectă, precum și are anumite limitări și dependențe de lucrurile externe. Deci, pentru a obține o ieșire stabilă, se utilizează tehnici suplimentare în circuitele oglindă curente.

Îmbunătățirea circuitului oglinzii de curent de bază

Există mai multe opțiuni pentru a îmbunătăți ieșirea circuitului curent de oglindă. Într-una dintre soluții se adaugă unul sau doi tranzistori peste designul tradițional cu doi tranzistori. Construcția acestor circuite utilizează configurația adeptului emițătorului pentru a depăși nepotrivirea actuală de bază a tranzistoarelor. Proiectarea poate avea un alt tip de structură de circuit pentru a echilibra impedanța de ieșire.

Există trei valori principale pentru a analiza performanța curentă a oglinzii ca parte a unui circuit mare.

1. Prima valoare este cantitatea de eroare statică. Este diferența dintre curenții de intrare și de ieșire. Este o sarcină dificilă reducerea la minimum a diferenței, deoarece diferența de conversie diferențială a ieșirii cu un singur capăt cu câștigul amplificatorului diferențial este responsabilă pentru controlul raportului de respingere a modului comun și a sursei de alimentare.

2. următoare metrice cel mai important este actuala impedanța de ieșire sursă sau conductanță de ieșire. Este crucial, deoarece afectează scena din nou în timpul sursei actuale care acționează ca o sarcină activă. De asemenea, afectează câștigul modului comun în diferite situații.

3. Pentru funcționarea stabilă a circuitelor de oglindă de curent, ultima valoare importantă este tensiunile minime care provin de la conexiunea șinei de alimentare situată peste terminalele de intrare și ieșire.

Deci, pentru a îmbunătăți ieșirea circuitului de oglindă de curent de bază, luând în considerare toate valorile de performanță de mai sus, aici vom discuta cu tehnicile populare de oglindă de curent - Circuitul oglinzii curente Wilson și circuitul sursei de curent Widlar.

Circuitul oglinzii curente Wilson

Totul a început cu o provocare între doi ingineri, George R. Wilson și Barrie Gilbert, de a face un circuit de oglindă de curent îmbunătățit peste noapte. Inutil să spun că George R. Wilson a câștigat provocarea în 1967. Din numele lui George R. Wilson, circuitul oglinzii de curent îmbunătățit proiectat de el se numește Wilson Current Mirror Circuit.

Circuitul oglindă de curent Wilson folosește trei dispozitive active care acceptă curentul în intrarea sa și furnizează copia exactă sau copia în oglindă a curentului la ieșirea sa.

În circuitul de oglindă curent Wilson de mai sus, există trei componente active care sunt BJT și un singur rezistor R1.

Aici sunt făcute două ipoteze - una este că toți tranzistoarele au același câștig de curent care este și a doua este că curenții colectorului de T1 și T2 sunt egali, deoarece T1 și T2 sunt potrivite și același tranzistor. Prin urmare

I _C1 = I _C2 = I _C

Și acest lucru se aplică și curentului de bază, I _B1 = I _B2 = I _B

Curentul de bază al tranzistorului T3 poate fi calculat cu ușurință prin câștigul de curent, care este

I _B3 = I _C3 / β… (1)

Iar curentul emițător al T3 va fi

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3 … (2)

Dacă ne uităm la schema de mai sus, curentul de pe emițătorul T3 este suma curentului colectorului T2 și a curenților de bază ai T1 și T2. Prin urmare, I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

Acum, așa cum sa discutat mai sus, acest lucru poate fi evaluat în continuare ca

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

Prin urmare, I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

I _E3 poate fi schimbat conform (2)

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

Curentul colectorului poate fi scris ca, I _C = ((1+ β) / (β + 2)) I _C3 … (3)

Din nou, conform schemei curentului

Ecuația de mai sus poate desena o relație între curentul colectorilor celui de-al treilea tranzistor cu rezistorul de intrare. Cum? Dacă 2 / (β (β + 2)) << 1 atunci I _C3 ≈ I _R1. Curentul de ieșire poate fi, de asemenea, calculat cu ușurință dacă tensiunea de bază a emițătorului tranzistoarelor este mai mică de 1V.

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

Deci, pentru curentul adecvat și stabil de ieșire, R ₁ și V ₁ trebuie să fie în valori corespunzătoare. Pentru ca circuitul să acționeze ca o sursă de curent constant, R1 trebuie înlocuit cu o sursă de curent constant.

Îmbunătățirea circuitului oglinzii curente Wilson

Circuitul oglinzii curente Wilson poate fi îmbunătățit în continuare pentru a obține o precizie perfectă prin adăugarea unui alt tranzistor.

Circuitul de mai sus este versiunea îmbunătățită a circuitului oglinzii curente Wilson. Al patrulea tranzistor T4 este adăugat în circuit. Tranzistorul suplimentar T4 echilibrează tensiunea colectorului T1 și T2. Tensiunea colectorului T1 este stabilizată cu cantitatea egală cu V _BE4. Acest lucru are ca rezultat finit

și, de asemenea, stabilizați diferențele de tensiune între T1 și T2.

Avantajele și limitarea tehnicii oglinzii curente Wilson

Circuitul oglinzii curente are mai multe avantaje în comparație cu circuitul tradițional de oglindă curent de bază-

1. În cazul circuitului oglinzii curentului de bază, nepotrivirea curentului de bază este o problemă obișnuită. Cu toate acestea, acest circuit oglindă de curent Wilson elimină practic eroarea de echilibrare a curentului de bază. Datorită acestui fapt, curentul de ieșire este aproape de exact de la curentul de intrare. Nu numai acest lucru, circuitul folosește o impedanță de ieșire foarte mare datorită feedback-ului negativ de-a lungul T1 de la baza T3.
2. Circuitul oglindit de curent Wilson îmbunătățit este realizat folosind 4 versiuni cu tranzistor, deci este util pentru funcționarea la curenți mari.
3. Circuitul oglinzii de curent Wilson oferă o impedanță scăzută la intrare.
4. Nu necesită tensiune de polarizare suplimentară și sunt necesare resurse minime pentru ao construi.

Limitările oglinzii curente Wilson:

1. Când circuitul oglinzii de curent Wilson este polarizat cu frecvență înaltă maximă, bucla de feedback negativ provoacă instabilitate în răspunsul în frecvență.
2. Are o tensiune de conformitate mai mare în comparație cu circuitul oglindă de bază cu doi tranzistori.
3. Circuitul oglinzii curente Wilson creează zgomot pe ieșire. Acest lucru se datorează feedback-ului care crește impedanța de ieșire și afectează direct curentul colectorului. Fluctuația curentului colectorului contribuie la zgomote pe ieșire.

Exemplu practic al circuitului oglinzii curente Wilson

Aici oglinda curentă Wilson este simulată folosind Proteus.

Cele trei componente active (BJT) sunt utilizate pentru realizarea circuitelor. BJT-urile sunt toate 2N2222, cu aceleași specificații. Potul este selectat pentru a schimba curentul peste colectorul Q2, care se va reflecta în continuare asupra colectorului Q3. Pentru sarcina de ieșire, este selectat un rezistor de 10 Ohmi.

Iată videoclipul de simulare pentru Wilson Current Mirror Technique-

În videoclip, tensiunea programată în colectorul Q2 se reflectă în colectorul Q3.

Tehnica oglinzii curente Widlar

Un alt circuit excelent de oglindă de curent este Circuitul sursei de curent Widlar, inventat de Bob Widlar.

Circuitul este exact același cu circuitul de oglindă de curent de bază folosind doi tranzistori BJT. Dar există o modificare a tranzistorului de ieșire. Tranzistorul de ieșire folosește un rezistor de degenerare a emițătorului pentru a furniza curenți mici în ieșire folosind doar valori moderate ale rezistorului.

Unul dintre exemplele populare de aplicații ale sursei de curent Widlar se află în circuitul amplificator operațional uA741.

În imaginea de mai jos este afișat un circuit sursă de curent Widlar.

Circuitul este format din doar două tranzistoare T1 și T2 și două rezistențe R1 și R2. Circuitul este același cu cel al celor două tranzistoare cu circuit oglindă fără R2. R2 este conectat în serie cu emițătorul T2 și la masă. Acest rezistor al emițătorului reduce efectiv curentul în T2 în comparație cu T1. Acest lucru se realizează prin căderea de tensiune pe acest rezistor, această cădere de tensiune reduce tensiunea de bază a emițătorului tranzistorului de ieșire, ceea ce duce la reducerea curentului colectorului în T2.

Analiza și derivarea impedanței de ieșire pentru circuitul oglinzii de curent de lățime

După cum sa menționat anterior, curentul în T2 este redus în comparație cu curentul T1, care poate fi testat și analizat în continuare folosind simulări Cadence Pspice. Să vedem construcția circuitului Widlar și simulările din imaginea de mai jos,

Circuitul este construit în Cadence Pspice. Două tranzistoare cu aceeași specificație sunt utilizate în circuit, care este 2N2222. Sondele curente arată graficul curent în colectorul Q2 și Q1.

Simularea poate fi văzut în imaginea de mai jos.

În figura de mai sus, graficul roșu, care este curentul colector al Q1, se reduce în comparație cu Q2.

Aplicarea KVL (Legea tensiunii Kirchhoff) pe joncțiunea bază-emițător a circuitului, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

Β ₂ este pentru tranzistorul de ieșire. Este complet diferit de tranzistorul de intrare, deoarece graficul de curent din graficul de simulare arată clar că curentul din doi tranzistori este diferit.

Formula finală poate fi extrasă din formula de mai sus dacă β finit este anulat și dacă schimbăm I _C1 ca I _IN și I _C2 ca I _OUT. Prin urmare,

Pentru a măsura rezistența de ieșire a sursei de curent Widlar, circuitul de semnal mic este o opțiune utilă. Imaginea de mai jos este un circuit echivalent de semnal mic pentru sursa de curent Widlar.

Curentul Ix este aplicat pe circuit pentru a măsura rezistența de ieșire a circuitului. Deci, conform legii Ohms, rezistența de ieșire este

Vx / Ix

Rezistența de ieșire poate fi determinată prin aplicarea legii Kirchhoff lui peste sol stânga la R2, acesta este -

Din nou, aplicând legea tensiunii lui Kirchhoff pe solul R2 la solul curentului de intrare, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - βR ₀)

Acum, schimbând valoarea, ecuația finală pentru a obține rezistența de ieșire a circuitului oglinzii de curent Widlar este

Așa că așa se pot utiliza tehnicile oglinzilor curente Wilson și Widlar pentru a îmbunătăți proiectele circuitului oglinzii de curent de bază.