Proudový obvod zrcadlení: techniky zrcadlení Wilsona a Widlara

V předchozím článku jsme diskutovali o Current Mirror Circuit a o tom, jak jej lze sestavit pomocí tranzistoru a MOSFET. Navzdory skutečnosti, že obvod základního proudového zrcadla lze konstruovat pomocí dvou jednoduchých aktivních komponent, BJT a MOSFET nebo pomocí obvodu zesilovače, výstup není dokonalý, stejně jako má určitá omezení a závislosti na vnějších věcech. Pro získání stabilního výstupu se v proudových obvodech zrcadlení používají další techniky.

Vylepšení základního proudového zrcadlového obvodu

Existuje několik možností, jak zlepšit výstup Current Mirror Circuit. V jednom z řešení je jeden nebo dva tranzistory přidány k tradičnímu designu dvou tranzistorů. Konstrukce těchto obvodů využívá konfiguraci sledovače emitorů k překonání nesouladu základního proudu tranzistorů. Konstrukce může mít jiný druh struktury obvodu pro vyvážení výstupní impedance.

Existují tři primární metriky, které analyzují aktuální výkon zrcadla jako součást velkého okruhu.

1. První metrika je množství statické chyby. Je to rozdíl mezi vstupními a výstupními proudy. Je obtížné minimalizovat rozdíl, protože rozdíl diferenciální jednostranné výstupní konverze se ziskem diferenciálního zesilovače je zodpovědný za řízení poměru odmítnutí společného režimu a napájení.

2. další nejdůležitější metrikou je zdrojem výstupní impedance nebo výstupní vodivost. Je to zásadní, protože to ovlivňuje fázi znovu, zatímco aktuální zdroj funguje jako aktivní zátěž. Ovlivňuje také zisk běžného režimu v různých situacích.

3. Pro stabilní provoz obvodů proudových zrcadel je poslední důležitou metrikou minimální napětí pocházející ze spojení napájecí lišty umístěného přes vstupní a výstupní svorky.

Abychom tedy vylepšili výstup základního proudového zrcadlového obvodu, s přihlédnutím ke všem výše uvedeným výkonovým metrikám, budeme zde diskutovat o populárních proudových zrcadlových technikách - Wilsonův proudový zrcadlový obvod a obvodový zdroj proudu.

Wilsonův proudový zrcadlový obvod

Všechno to začalo výzvou mezi dvěma inženýry, Georgem R. Wilsonem a Barrie Gilbertem, udělat přes noc vylepšený obvod zrcadlení. Není třeba říkat, že George R. Wilson zvítězil v roce 1967. Z názvu George R. Wilsona se jeho vylepšený proudový zrcadlový obvod nazývá Wilson Current Mirror Circuit.

Wilsonův proudový zrcadlový obvod používá tři aktivní zařízení, která přijímají proud přes jeho vstup a na jeho výstup poskytují přesnou kopii nebo zrcadlenou kopii proudu.

Ve výše uvedeném obvodu Wilson Current Mirror Circuit jsou tři aktivní komponenty, které jsou BJT a jeden rezistor R1.

Zde se vytvářejí dva předpoklady - jeden je, že všechny tranzistory mají stejný proudový zisk, což je druhý, a druhý je to, že kolektorové proudy T1 a T2 jsou stejné, protože T1 a T2 jsou spárovány a mají stejný tranzistor. Proto

I _C1 = I _C2 = I _C

A to platí i pro základní proud, I _B1 = I _B2 = I _B

Základní proud tranzistoru T3 lze snadno vypočítat podle aktuálního zisku, což je

I _B3 = I _C3 / β… (1)

A emitorový proud T3 bude

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3 … (2)

Podíváme-li se na výše uvedené schéma, proud přes emitor T3 je součtem kolektorového proudu T2 a základních proudů T1 a T2. Proto, I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

Nyní, jak bylo diskutováno výše, to lze dále vyhodnotit jako

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

Proto, I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

I _E3 lze změnit podle (2)

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

Sběratelský proud lze zapsat jako, I _C = (((1+ β) / (β + 2)) I _C3 … (3)

Opět podle schématu prochází proud

Výše uvedená rovnice může nakreslit vztah mezi proudem kolektorů třetího tranzistoru se vstupním odporem. Jak? Pokud 2 / (β (β + 2)) << 1, pak I _C3 ≈ I _R1. Výstupní proud lze také snadno vypočítat, pokud je napětí základny-emitoru tranzistorů menší než 1V.

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

Pro správný a stabilní výstupní proud musí být tedy R ₁ a V ₁ ve správných hodnotách. Aby obvod fungoval jako zdroj konstantního proudu, je třeba R1 nahradit zdrojem konstantního proudu.

Zlepšení obvodu Wilsonova aktuálního zrcadla

Wilsonův proudový zrcadlový obvod lze dále vylepšit, aby se dosáhlo dokonalé přesnosti přidáním dalšího tranzistoru.

Výše uvedený obvod je vylepšenou verzí obvodu Wilsonova aktuálního zrcadla. Čtvrtý tranzistor T4 je přidán do obvodu. Dodatečný tranzistor T4 vyvažuje napětí kolektoru T1 a T2. Napětí kolektoru T1 je stabilizováno o hodnotu rovnající se V _BE4. Výsledkem je konečný

a také stabilizovat rozdíly napětí mezi T1 a T2.

Výhody a omezení současné techniky zrcadlení společnosti Wilson

Současný obvod zrcadla má několik výhod ve srovnání s tradičním základním obvodem Current Mirror -

1. V případě základního proudového zrcadlového obvodu je běžným problémem nesoulad základního proudu. Tento obvod Wilsonova proudového zrcadla však prakticky eliminuje chybu vyvážení základního proudu. Z tohoto důvodu je výstupní proud téměř přesný jako vstupní proud. Nejen to, obvod využívá velmi vysokou výstupní impedanci kvůli negativní zpětné vazbě přes T1 ze základny T3.
2. Vylepšený obvod Wilsonova proudového zrcadla je vyroben pomocí 4 tranzistorových verzí, takže je užitečný pro provoz při vysokých proudech.
3. Wilsonův proudový zrcadlový obvod poskytuje na vstupu nízkou impedanci.
4. Nevyžaduje další zkreslení napětí a pro jeho konstrukci jsou zapotřebí minimální zdroje.

Omezení Wilsonova aktuálního zrcadla:

1. Když je obvod Wilsonova proudového zrcadla předpjatý s maximální vysokou frekvencí, smyčka záporné zpětné vazby způsobí nestabilitu frekvenční odezvy.
2. Má vyšší poddajné napětí ve srovnání se základním obvodem zrcadlového proudu se dvěma tranzistory.
3. Wilsonův obvod současného zrcadla vytváří šum na výstupu. To je způsobeno zpětnou vazbou, která zvyšuje výstupní impedanci a přímo ovlivňuje kolektorový proud. Kolísání proudu kolektoru přispívá k šumům na výstupu.

Praktický příklad obvodu Wilson Current Mirror

Zde je simulováno Wilsonovo aktuální zrcadlo pomocí Proteus.

K výrobě obvodů se používají tři aktivní komponenty (BJT). Všechny BJT jsou 2N2222 se stejnými specifikacemi. Hrnec je vybrán pro změnu proudu napříč kolektorem Q2, což se dále projeví na kolektoru Q3. Pro výstupní zátěž je vybrán odpor 10 Ohmů.

Zde je simulační video pro Wilson Current Mirror Technique

Ve videu se naprogramované napětí na kolektoru Q2 odráží přes kolektor Q3.

Widlar Current Mirror Technique

Dalším vynikajícím proudovým zrcadlovým obvodem je obvod zdroje Widlar Current Source Circuit, který vynalezl Bob Widlar.

Obvod je přesně stejný jako obvod základního proudového zrcadla pomocí dvou BJT tranzistorů. Ve výstupním tranzistoru však došlo k úpravě. Výstupní tranzistor používá rezistor degenerace emitoru k zajištění nízkých proudů napříč výstupem pouze za použití mírných hodnot odporu.

Jedním z populárních příkladů použití zdroje proudu Widlar je v obvodu operačního zesilovače uA741.

Na následujícím obrázku je zobrazen obvod zdroje Widlar.

Obvod se skládá pouze ze dvou tranzistorů T1 a T2 a dvou rezistorů R1 a R2. Obvod je stejný jako proudový obvod dvou tranzistorů bez R2. R2 je zapojen do série s emitorem T2 a zemí. Tento emitorový rezistor účinně snižuje proud napříč T2 ve srovnání s T1. To se provádí poklesem napětí na tomto rezistoru, tento pokles napětí snižuje napětí báze-emitor výstupního tranzistoru, což dále vede ke snížení kolektorového proudu přes T2.

Analýza a odvození výstupní impedance pro obvod Widlar Current Mirror

Jak již bylo zmíněno dříve, proud v T2 je snížen ve srovnání s proudem T1, což lze dále testovat a analyzovat pomocí simulací Cadence Pspice. Podívejme se na konstrukci obvodů Widlar a simulace na obrázku níže,

Okruh je postaven v Cadence Pspice. V obvodech se používají dva tranzistory se stejnou specifikací, což je 2N2222. Aktuální sondy zobrazují aktuální graf napříč kolektorem Q2 a Q1.

Simulace lze vidět na obrázku níže.

Na výše uvedeném obrázku se červená křivka, což je kolektorový proud Q1, snižuje ve srovnání s Q2.

Uplatnění KVL (Kirchhoffův zákon o napětí) přes křižovatku báze-emitor obvodu, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

Β ₂ je pro výstupní tranzistor. Je to zcela odlišné od vstupního tranzistoru, protože aktuální graf na simulačním grafu jasně ukazuje, že proud ve dvou tranzistorech je odlišný.

Konečný vzorec lze čerpat z výše uvedeného vzorce, pokud je omezena konečná β a pokud změníme I _C1 jako I _IN a I _C2 jako I _OUT. Proto,

Pro měření výstupního odporu zdroje proudu Widlar je užitečným řešením obvod malého signálu. Níže uvedený obrázek je ekvivalentním malým signálním obvodem pro zdroj proudu Widlar.

Proud Ix je aplikován přes obvod k měření výstupního odporu obvodu. Tak, podle zákona ohmů, bude výstupní odpor je

Vx / Ix

Výstupní odpor může být stanovena na základě Kirchoff zákon přes levé zemi k R2, to je-

Opět platí Kirchhoffův zákon napětí na zemi R2 na zem vstupního proudu, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - βR ₀)

Nyní, změnou hodnoty, je konečná rovnice pro odvození výstupního odporu obvodu Widlar Current Mirror

Takto lze použít Wilsonovu a Widlarovu současnou zrcadlovou techniku ke zlepšení návrhů základního proudového zrcadlového obvodu.