Tok trenutnega zrcala: tehnike zrcaljenja Wilsona in Widlarja

V prejšnjem članku smo razpravljali o Current Mirror Circuit in kako ga je mogoče zgraditi s pomočjo tranzistorja in MOSFET-a. Kljub dejstvu, da je mogoče osnovno tokovno zrcalno vezje izdelati z uporabo dveh preprostih aktivnih komponent, BJT in MOSFET-ov, ali z uporabo ojačevalnega vezja, izhod ni popoln, pa tudi ima določene omejitve in odvisnosti od zunanjih stvari. Torej, da dobimo stabilen izhod, se v trenutnih zrcalnih tokokrogih uporabljajo dodatne tehnike.

Izboljšanje osnovnega tokovnega ogledala

Obstaja več možnosti za izboljšanje izhoda trenutnega zrcalnega vezja. V eno od rešitev se doda en ali dva tranzistorja v tradicionalni zasnovi dveh tranzistorjev. Konstrukcija teh vezij uporablja konfiguracijo sledilca oddajnika za premagovanje osnovnega trenutnega neskladja tranzistorjev. Zasnova ima lahko drugačno strukturo vezja za uravnoteženje izhodne impedance.

Obstajajo tri glavne meritve za analizo trenutne učinkovitosti zrcal kot dela velikega kroga.

1. Prva metrika je količina statične napake. To je razlika med vhodnimi in izhodnimi tokovi. Težka naloga je minimizirati razliko, saj je razlika diferencialne enosmerne pretvorbe izhoda z diferencialnim ojačevalnikom odgovorna za nadzor stopnje zavrnitve običajnega načina in napajanja.

2. Naslednji najpomembnejši meritev je trenutni vir izhodna impedanca ali izhod prevodnost. Ključnega pomena je, ker znova vpliva na oder, medtem ko trenutni vir deluje kot aktivna obremenitev. Vpliva tudi na splošni dobiček v različnih situacijah.

3. Za stabilno delovanje tokovnih zrcalnih vezij je zadnja pomembna meritev najmanjša napetost, ki prihaja iz priključka napajalne tirnice na vhodnih in izhodnih sponkah.

Torej, da bi izboljšali izhod Basic Current Mirror Circuit, ob upoštevanju vseh zgornjih meritev uspešnosti, bomo tukaj razpravljali o priljubljenih Current Mirror Techniques - Wilson Current Mirror Circuit in Widlar Current Source Circuit.

Wilson Current Mirror Circuit

Vse se je začelo z izzivom dveh inženirjev, Georgea R. Wilsona in Barrie Gilbert, da čez noč izdelata izboljšano trenutno vezje ogledal. Ni treba posebej poudarjati, da je George R. Wilson izziv dobil leta 1967. Od imena George R. Wilson se izboljšano vezje trenutnega ogledala, ki ga je zasnoval, imenuje Wilson Current Mirror Circuit.

Wilsonovo tokovno zrcalno vezje uporablja tri aktivne naprave, ki sprejemajo tok skozi njegov vhod in na njegov izhod zagotavljajo natančno kopijo ali zrcalno kopijo toka.

Zgoraj v Wilsonovem tokovnem zrcalnem krogu so tri aktivne komponente, ki so BJT in en upor R1.

Tu sta narejeni dve predpostavki - ena je, da imajo vsi tranzistorji enak tokovni dobitek, kar je, druga pa, da so kolektorski tokovi T1 in T2 enaki, saj sta T1 in T2 enaka in isti tranzistor. Torej

I _C1 = I _C2 = I _C

In to velja tudi za osnovni tok, I _B1 = I _B2 = I _B

Osnovni tok tranzistorja T3 lahko enostavno izračunamo s trenutnim ojačenjem, ki je

I _B3 = I _C3 / β… (1)

In oddajni tok T3 bo

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3 … (2)

Če pogledamo zgornjo shemo, je tok čez oddajnik T3 vsota kolektorskih tokov in osnovnih tokov T2 T1 in T2. Zato

I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

Kot smo že omenili, lahko to še naprej ocenjujemo kot

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

Torej, I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

I _E3 lahko spremenite v skladu s (2)

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

Tok kolektorja lahko zapišemo kot, I _C = ((1+ β) / (β + 2)) I _C3 … (3)

Spet po shemi tok skozi

Zgornja enačba lahko prikaže razmerje med tretjim tranzistorskim kolektorjem, ki teče z vhodnim uporom. Kako? Če je 2 / (β (β + 2)) << 1, potem je I _C3 ≈ I _R1. Izhodni tok je mogoče enostavno izračunati tudi, če je napetost osnovnega oddajnika tranzistorjev manjša od 1V.

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

Za pravilen in stabilen izhodni tok morata biti R ₁ in V ₁ v ustreznih vrednostih. Če želite, da vezje deluje kot vir stalnega toka, je treba R1 zamenjati s konstantnim tokom.

Izboljšanje Wilsonovega tokokroga ogledala

Wilsonovo vezje trenutnega zrcala je mogoče še izboljšati, da dosežemo popolno natančnost z dodajanjem drugega tranzistorja.

Zgornje vezje je izboljšana različica Wilsonovega tokovnega ogledala. V vezje je dodan četrti tranzistor T4. Dodatni tranzistor T4 uravnava kolektorsko napetost T1 in T2. Napetost kolektorja T1 je stabilizirana za količino, ki je enaka V _BE4. Rezultat tega je končno

in tudi stabilizirajo napetostne razlike med T1 in T2.

Prednosti in omejitve Wilsonove tehnike trenutnega zrcala

Trenutno vezje zrcala ima v primerjavi s tradicionalnim osnovnim vezjem tokovnega ogledala številne prednosti -

1. V primeru osnovnega tokovnega zrcalnega kroga je pogosta težava neusklajenost osnovnega toka. Vendar to Wilsonovo vezje trenutnega zrcala tako rekoč odpravi napako osnovnega tokovnega ravnovesja. Zaradi tega je izhodni tok blizu vhodnega toka skoraj natančen. Ne samo to, vezje uporablja zelo visoko izhodno impedanco zaradi negativnih povratnih informacij preko T1 od dna T3.
2. Izboljšano Wilsonovo tokovno zrcalno vezje je narejeno z uporabo 4 tranzistorskih različic, zato je koristno za delovanje pri močnih tokovih.
3. Wilsonovo tokovno zrcalno vezje zagotavlja nizko impedanco na vhodu.
4. Ne zahteva dodatne napetosti prednapetosti in za njeno izdelavo so potrebni minimalni viri.

Omejitve Wilsonovega trenutnega ogledala:

1. Ko je Wilsonovo vezje trenutnega zrcala pristransko z največjo frekvenco, negativna povratna zanka povzroči nestabilnost frekvenčnega odziva.
2. Ima višjo napetost skladnosti z osnovnim dvema tranzistorskima tokovnima zrcalnima vezjema.
3. Wilsonovo tokovno zrcalno vezje ustvarja šum skozi izhod. To je posledica povratne informacije, ki zviša izhodno impedanco in neposredno vpliva na kolektorski tok. Nihanje kolektorskega toka prispeva hrup skozi izhod.

Praktični primer tokokroga ogledala Wilsona

Tu je Wilsonovo trenutno ogledalo simulirano z uporabo Proteusa.

Tri aktivne komponente (BJT) se uporabljajo za izdelavo vezja. Vsi BJT-ji so 2N2222 z enakimi specifikacijami. Pot je izbran tako, da spremeni tok skozi kolektor Q2, kar se bo nadalje odrazilo na kolektorju Q3. Za izhodno obremenitev je izbran upor 10 Ohmov.

Tu je simulacijski video za Wilson Current Mirror Technique-

V videu se programirana napetost na kolektorju Q2 odraža na kolektorju Q3.

Widlarjeva trenutna zrcalna tehnika

Še eno odlično tokovno zrcalno vezje je vezje tokokroga Widlar, ki ga je izumil Bob Widlar.

Vezje je popolnoma enako kot osnovno tokovno zrcalno vezje z dvema tranzistorjema BJT. Ampak obstaja sprememba v izhodnem tranzistorju. Izhodni tranzistor uporablja upor za degeneracijo oddajnika za zagotavljanje nizkih tokov skozi izhod z uporabo le zmernih vrednosti upora.

Eden izmed priljubljenih primerov uporabe Widlarjevega tokovnega vira je v vezju operativnega ojačevalnika uA741.

Na spodnji sliki je prikazano vezje toka Widlar.

Vezje je sestavljeno iz samo dveh tranzistorjev T1 & T2 in dveh uporov R1 & R2. Vezje je enako kot tokovno zrcalo dveh tranzistorjev brez R2. R2 je serijsko povezan z oddajnikom T2 in ozemljitvijo. Ta upor oddajnika učinkovito zmanjša tok čez T2 v primerjavi s T1. To se zgodi z padcem napetosti na tem uporu, ta padec napetosti zmanjša napetost osnovnega oddajnika izhodnega tranzistorja, kar nadalje povzroči zmanjšan tok kolektorja čez T2.

Analiza in izpeljava izhodne impedance za tokovno ogledalo Widlarjevega toka

Kot smo že omenili, je tok preko T2 zmanjšan v primerjavi s tokom T1, kar je mogoče nadalje preizkusiti in analizirati s simulacijami Cadence Pspice. Oglejmo si konstrukcijo in simulacije vezja Widlar na spodnji sliki,

Vezje je zgrajeno v Cadence Pspice. V vezju se uporabljata dva tranzistorja z enako specifikacijo, to je 2N2222. Trenutne sonde prikazujejo trenutno ploskev v kolektorju Q2 in Q1.

Simulacije je razvidno iz spodnje slike.

Na zgornji sliki se rdeča ploskev, ki je kolektorski tok Q1, v primerjavi s Q2 zmanjšuje.

Uporaba KVL (Kirchhoff-ov zakon o napetosti) preko križišča osnovnega oddajnika vezja, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

Β ₂ je za izhodni tranzistor. Popolnoma se razlikuje od vhodnega tranzistorja, saj trenutna slika na simulacijskem grafu jasno kaže, da sta tok v dveh tranzistorjih različna.

Končno formulo lahko dobimo iz zgornje formule, če je končni β razglašen in če spremenimo I _C1 kot I _IN in I _C2 kot I _OUT. Zato

Za merjenje izhodne upornosti Widlarjevega tokovnega vira je uporabno majhno signalno vezje. Spodnja slika je enakovredno majhno signalno vezje za Widlarjev vir toka.

Tok Ix se uporablja preko vezja za merjenje izhodne upornosti vezja. Torej, kot na pravo Ohmov je izhodna upornost je

Vx / Ix

Upor izhod se lahko določi z uporabo Kirchoffov zakon po levi tal do R2, je is-

Še enkrat, z uporabo Kirchhoffovega napetostnega zakona na tleh R2 do tal vhodnega toka, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - βR ₀)

Zdaj, ko spremenimo vrednost, je končna enačba za izhodno upornost vezja Widlar Current Mirror

Torej je tako mogoče uporabiti Wilsonove in Widlarjeve trenutne zrcalne tehnike za izboljšanje zasnove osnovnega tokovnega ogledala.