- Vylepšenie základného obvodu súčasného zrkadla
- Wilsonov prúdový zrkadlový obvod
- Výhody a obmedzenia súčasnej zrkadlovej techniky Wilson
- Praktický príklad obvodu Wilson Current Mirror
- Widlar Current Mirror Technique
- Analýza a odvodenie výstupnej impedancie pre obvod so zrkadlovým prúdom
V predchádzajúcom článku sme diskutovali o Current Mirror Circuit a o tom, ako je možné ho zostaviť pomocou tranzistora a MOSFET. Napriek tomu, že obvod základného zrkadlového prúdu je možné skonštruovať pomocou dvoch jednoduchých aktívnych komponentov, BJT a MOSFET alebo pomocou zosilňovacieho obvodu, výstup nie je dokonalý, rovnako ako má určité obmedzenia a závislosti od vonkajších vecí. Aby sa získal stabilný výstup, v súčasných zrkadlových obvodoch sa používajú ďalšie techniky.
Vylepšenie základného obvodu súčasného zrkadla
Existuje niekoľko možností, ako vylepšiť výstup obvodu Current Mirror Circuit. V jednom z riešení je k tradičnému dizajnu dvoch tranzistorov pridaný jeden alebo dva tranzistory. Konštrukcia týchto obvodov využíva konfiguráciu sledovača emitorov na prekonanie nesúladu základného prúdu tranzistorov. Konštrukcia môže mať iný druh štruktúry obvodu na vyváženie výstupnej impedancie.
Existujú tri primárne metriky, ktoré analyzujú súčasný výkon zrkadla ako súčasť veľkého obvodu.
1. Prvá metrika predstavuje množstvo statickej chyby. Je to rozdiel medzi vstupným a výstupným prúdom. Je náročnou úlohou tento rozdiel minimalizovať, pretože rozdiel diferenciálnej jednostrannej výstupnej premeny so ziskom diferenciálneho zosilňovača je zodpovedný za riadenie odmietacieho pomeru spoločného režimu a napájania.
2. ďalšie najdôležitejšie metrikou je zdrojom výstupná impedancia alebo výstupné vodivosť. Je to zásadné, pretože to ovplyvňuje fázu znova, keď zdroj prúdu funguje ako aktívne zaťaženie. Ovplyvňuje tiež zisk bežného režimu v rôznych situáciách.
3. Pre stabilnú prevádzku obvodov prúdových zrkadiel je poslednou dôležitou metrikou minimálne napätie pochádzajúce zo spojenia napájacej lišty umiestnenej cez vstupné a výstupné svorky.
Takže aby sme zlepšili výkon základného prúdového zrkadlového obvodu, berúc do úvahy všetky vyššie uvedené výkonové metriky, tu budeme diskutovať o populárnych prúdových zrkadlových technikách - Wilsonov prúdový zrkadlový obvod a obvod zdroja prúdu.
Wilsonov prúdový zrkadlový obvod
Všetko to začalo výzvou medzi dvoma inžiniermi, Georgom R. Wilsonom a Barrie Gilbertom, urobiť cez noc vylepšený obvod zrkadiel. Netreba dodávať, že George R. Wilson túto výzvu vyhral v roku 1967. Od mena Georgea R. Wilsona sa ním navrhnutý vylepšený obvod zrkadiel volá Wilson Current Mirror Circuit.
Obvod zrkadlového prúdu Wilson používa tri aktívne zariadenia, ktoré prijímajú prúd cez jeho vstup a na jeho výstup poskytujú presnú kópiu alebo zrkadlovú kópiu prúdu.
Vo vyššie uvedenom obvode Wilson Current Mirror Circuit sú tri aktívne komponenty, ktoré sú BJT a jeden rezistor R1.
Tu sa predpokladajú dva predpoklady - jeden je, že všetky tranzistory majú rovnaký prúdový zisk, čo je druhý, a druhý, že kolektorové prúdy T1 a T2 sú rovnaké, pretože T1 a T2 sú spárované a rovnaký tranzistor. Preto
I C1 = I C2 = I C
A to platí aj pre základný prúd, I B1 = I B2 = I B
Základný prúd tranzistora T3 sa dá ľahko vypočítať podľa zosilnenia prúdu, ktoré je
I B3 = I C3 / β… (1)
A emitorový prúd T3 bude
I B3 = ((β + 1) / β) I C3 … (2)
Ak sa pozrieme na vyššie uvedenú schému, prúd cez vysielač T3 je súčtom kolektorového prúdu T2 a základných prúdov T1 a T2. Preto
I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Teraz, ako je uvedené vyššie, to možno ďalej hodnotiť ako
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Teda
I E3 = (1+ (2 / β)) I C
I E3 je možné meniť podľa (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
Kolektorový prúd možno zapísať ako, I C = (((1+ β) / (β + 2)) I C3… (3)
Opäť podľa schémy prechodu prúdu
Vyššie uvedená rovnica môže nakresliť vzťah medzi prúdom tretieho tranzistorového kolektora a vstupným rezistorom. Ako? Ak 2 / (β (β + 2)) << 1, potom I C3 ≈ I R1. Výstupný prúd možno tiež ľahko vypočítať, ak je napätie základne-emitoru tranzistorov menšie ako 1V.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Pre správny a stabilný výstupný prúd musia byť preto R 1 a V 1 v správnych hodnotách. Aby obvod fungoval ako zdroj konštantného prúdu, je potrebné R1 vymeniť za zdroj konštantného prúdu.
Zlepšenie obvodu Wilson Current Mirror
Wilsonov prúdový zrkadlový obvod je možné ďalej vylepšiť, aby sa dosiahla dokonalá presnosť, a to pridaním ďalšieho tranzistora.
Vyššie uvedený obvod je vylepšenou verziou Wilsonovho súčasného zrkadlového obvodu. Štvrtý tranzistor T4 je pridaný do obvodu. Dodatočný tranzistor T4 vyvažuje napätie kolektora T1 a T2. Napätie kolektora T1 je stabilizované o hodnotu rovnajúcu sa V BE4. To má za následok konečné
Výhody a obmedzenia súčasnej zrkadlovej techniky Wilson
Súčasný obvod zrkadla má niekoľko výhod v porovnaní s tradičným základným obvodom prúdu zrkadla -
- V prípade základného zrkadlového obvodu je bežným problémom nesúlad základného prúdu. Tento obvod Wilsonovho súčasného zrkadla však prakticky eliminuje chybu vyváženia základného prúdu. Z tohto dôvodu je výstupný prúd takmer rovnaký ako vstupný prúd. Nielen to, obvod využíva veľmi vysokú výstupnú impedanciu v dôsledku negatívnej spätnej väzby cez T1 zo základne T3.
- Vylepšený obvod zrkadlového prúdu Wilson je vyrobený pomocou 4 tranzistorových verzií, takže je užitočný pri prevádzke pri vysokých prúdoch.
- Wilsonov prúdový zrkadlový obvod poskytuje na vstupe nízku impedanciu.
- Nevyžaduje ďalšie predpätie a na jeho zostavenie sú potrebné minimálne zdroje.
Obmedzenia Wilsonovho súčasného zrkadla:
- Keď je Wilsonov prúdový zrkadlový obvod predpätý maximálnou vysokou frekvenciou, slučka negatívnej spätnej väzby spôsobuje nestabilitu frekvenčnej odozvy.
- Má vyššie poddajné napätie v porovnaní so základným obvodom zrkadlového prúdu s dvoma tranzistormi.
- Wilsonov prúdový zrkadlový obvod vytvára šum na výstupe. Je to spôsobené spätnou väzbou, ktorá zvyšuje výstupnú impedanciu a priamo ovplyvňuje kolektorový prúd. Kolísanie prúdu kolektora prispieva k šumom na výstupe.
Praktický príklad obvodu Wilson Current Mirror
Tu sa Wilsonovo súčasné zrkadlo simuluje pomocou Proteusu.
Na výrobu obvodov sa používajú tri aktívne komponenty (BJT). Všetky BJT sú 2N2222 s rovnakými špecifikáciami. Pot je vybraný na zmenu prúdu v kolektore Q2, čo sa bude ďalej odrážať na kolektore Q3. Pre výstupné zaťaženie sa vyberie odpor 10 Ohmov.
Tu je simulačné video pre Wilson Current Mirror Technique -
Vo videu sa programované napätie na kolektore Q2 odráža cez kolektor Q3.
Widlar Current Mirror Technique
Ďalším vynikajúcim obvodom zrkadlového prúdu je obvod zdroja Widlar Current Source Circuit, ktorý vynašiel Bob Widlar.
Obvod je úplne rovnaký ako obvod základného zrkadlového prúdu pomocou dvoch BJT tranzistorov. Existuje však modifikácia výstupného tranzistora. Výstupný tranzistor používa odpor degenerácie emitora na zabezpečenie nízkych prúdov na výstupe iba pri použití miernych hodnôt odporu.
Jeden z populárnych príkladov použitia zdroja prúdu Widlar je v obvode operačného zosilňovača uA741.
Na nasledujúcom obrázku je zobrazený obvod zdroja Widlar.
Obvod sa skladá iba z dvoch tranzistorov T1 a T2 a dvoch odporov R1 a R2. Obvod je rovnaký ako prúdový zrkadlový obvod dvoch tranzistorov bez R2. R2 je zapojený do série s vysielačom T2 a zemou. Tento emitorový odpor účinne znižuje prúd cez T2 v porovnaní s T1. To sa deje poklesom napätia na tomto rezistore, tento pokles napätia znižuje napätie báza-emitor výstupného tranzistora, čo ďalej vedie k zníženiu kolektorového prúdu cez T2.
Analýza a odvodenie výstupnej impedancie pre obvod so zrkadlovým prúdom
Ako už bolo spomenuté, prúd v T2 je znížený v porovnaní s prúdom T1, čo je možné ďalej testovať a analyzovať pomocou simulácií Cadence Pspice. Pozrime sa na konštrukciu obvodu Widlar a simulácie na obrázku nižšie,
Okruh je postavený v Cadence Pspice. V obvodoch, ktoré sú 2N2222, sa používajú dva tranzistory s rovnakou špecifikáciou. Aktuálne sondy ukazujú aktuálny graf v kolektore Q2 a Q1.
Simulácia možno vidieť na obrázku nižšie.
Na vyššie uvedenom obrázku červená krivka, ktorá predstavuje kolektorový prúd Q1, klesá v porovnaní s Q2.
Aplikácia KVL (Kirchhoffov zákon o napätí) cez križovatku báza-emitor obvodu, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Β 2 je pre výstupný tranzistor. Je to úplne odlišné od vstupného tranzistora, pretože prúdový graf na simulačnom grafe jasne ukazuje, že prúd v dvoch tranzistoroch je rozdielny.
Konečný vzorec je možné odvodiť z vyššie uvedeného vzorca, ak je konečná β potlačená a ak zmeníme I C1 ako I IN a I C2 ako I OUT. Preto
Na meranie výstupného odporu zdroja prúdu Widlar je obvod s malým signálom užitočnou možnosťou. Nasledujúci obrázok predstavuje ekvivalentný malý signálny obvod pre zdroj prúdu Widlar.
Prúd Ix sa aplikuje cez obvod na meranie výstupného odporu obvodu. Tak, podľa zákona ohmov, bude výstupný odpor je
Vx / Ix
Výstupné odpor môže byť stanovená na základe Kirchoff zákon cez ľavé krajinu k R2, to je-
Opäť platí, že Kirchhoffov zákon o napätí cez zem R2 na zem vstupného prúdu, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Teraz, keď meníme hodnotu, konečná rovnica na odvodenie výstupného odporu obvodu Widlar Current Mirror je
Takto je možné použiť súčasné zrkadlové techniky Wilsona a Widlara na vylepšenie návrhov základného prúdového zrkadlového obvodu.