Текуща огледална верига: техники на огледално отразяване на ток на Уилсън и Видлар

В предишната статия обсъдихме за Current Mirror Circuit и как тя може да бъде изградена с помощта на транзистор и MOSFET. Въпреки факта, че основната токова огледална верига може да бъде конструирана с помощта на два прости активни компонента, BJT и MOSFET или с помощта на усилвателна верига, изходът не е перфектен, както и има определени ограничения и зависимости от външните неща. Така че, за да се получи стабилен изход, в настоящите огледални вериги се използват допълнителни техники.

Подобряване на основната схема на текущото огледало

Има няколко опции за подобряване на изхода на Current Mirror Circuit. В едно от решението се добавят един или два транзистора спрямо традиционния дизайн на два транзистора. Изграждането на тези вериги използва конфигурация на последовател на емитер за преодоляване на несъответствието на базовия ток на транзисторите. Дизайнът може да има различен вид верижна структура за балансиране на изходния импеданс.

Има три основни показателя за анализ на текущата производителност на огледалото като част от голяма верига.

1. Първият показател е размерът на статичната грешка. Това е разликата между входните и изходните токове. Трудна задача е да се минимизира разликата, тъй като разликата в диференциалното еднократно преобразуване на изхода с усилването на диференциалния усилвател е отговорна за контрола на коефициента на отхвърляне на общия режим и захранването.

2. На следващата най-важната метрика е текущата източник изходния импеданс или изходната проводимост. Това е от решаващо значение, тъй като влияе отново на сцената, докато текущият източник действа като активен товар. Това също влияе на общия режим на печалба в различни ситуации.

3. За стабилната работа на текущите огледални вериги последната важна метрика е минималното напрежение, идващо от връзката на силовата релса, разположена през входните и изходните клеми.

За да подобрим изхода на Basic Current Mirror Circuit, като се вземат предвид всички горепосочени показатели за ефективност, тук ще обсъдим популярните Current Mirror Techniques - Wilson Current Mirror Circuit и Widlar Current Source Circuit.

Текуща огледална верига на Уилсън

Всичко започна с предизвикателство между двама инженери, Джордж Р. Уилсън и Бари Гилбърт, да направят подобрена текуща огледална верига за една нощ. Излишно е да се споменава, че Джордж Р. Уилсън спечели предизвикателството през 1967 г. От името на Джордж Р. Уилсън, подобрената токова огледална верига, проектирана от него, се нарича Уилсън Current Mirror Circuit.

Токовата огледална верига на Уилсън използва три активни устройства, които приемат тока през входа си и предоставят точното копие или огледално копие на тока към изхода си.

В горепосочената верига на огледалото на Уилсън има три активни компонента, които са BJT и един резистор R1.

Тук се правят две предположения - едното е, че всички транзистори имат еднакво усилване на тока, което е и второ, че колекторните токове на Т1 и Т2 са равни, тъй като Т1 и Т2 са съвпадащи и един и същ транзистор. Следователно

I _C1 = I _C2 = I _C

И това важи и за базовия ток, I _B1 = I _B2 = I _B

Базовият ток на транзистора Т3 може лесно да бъде изчислен чрез усилването на тока, което е

I _B3 = I _C3 / β… (1)

И емитерният ток на Т3 ще бъде

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3 … (2)

Ако разгледаме горната схема, токът през излъчвателя Т3 е сумата от тока на колектора на Т2 и базовия ток на Т1 и Т2. Следователно, I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

Както вече беше обсъдено по-горе, това може да бъде оценено по-нататък

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

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

I _E3 може да се променя според (2)

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

Токът на колектора може да бъде записан като, I _C = ((1+ β) / (β + 2)) I _C3 … (3)

Отново според схемата токът през

Горното уравнение може да направи връзка между третия транзисторен колектор ток с входния резистор. Как Ако 2 / (β (β + 2)) << 1, тогава I _C3 ≈ I _R1. Изходният ток може също да бъде лесно изчислен, ако напрежението на базовия емитер на транзисторите е по-малко от 1V.

I _С3 ≈ I _R1 = (V ₁ - V _BE2 - V _BE3) / R ₁

Така че, за правилния и стабилен изходен ток, R ₁ и V ₁ трябва да са в правилни стойности. За да накара веригата да действа като източник на постоянен ток, R1 трябва да бъде заменен с източник на постоянен ток.

Подобряване на веригата на огледалото на Уилсън

Текущата огледална верига на Уилсън може да бъде допълнително подобрена, за да получи перфектна точност чрез добавяне на друг транзистор.

Горната схема е подобрената версия на токовата огледална верига на Уилсън. Четвъртият транзистор Т4 е добавен във веригата. Допълнителният транзистор Т4 балансира колекторното напрежение на Т1 и Т2. Напрежението на колектора на Т1 се стабилизира със сумата, равна на V _BE4. Това води до крайност

и също така стабилизира разликите в напрежението между T1 и T2.

Предимства и ограничение на техниката на огледалото на Уилсън

Текущата огледална верига има няколко предимства в сравнение с традиционната основна верига на огледалото -

1. В случай на основна токова огледална верига, несъответствието на базовия ток е често срещан проблем. Тази верига на токоогледалото на Уилсън на практика елиминира грешката на базовия ток на баланса. Поради това изходният ток е почти точен към входния ток. Не само това, схемата използва много висок изходен импеданс поради отрицателната обратна връзка през T1 от основата на T3.
2. Подобрената токова огледална схема на Уилсън е направена с помощта на 4 транзисторни версии, така че е полезна за работа при високи токове.
3. Токовата огледална верига на Уилсън осигурява нисък импеданс на входа.
4. Не се изисква допълнително напрежение на отклонение и са необходими минимални ресурси за изграждането му.

Ограничения на Wilson Current Mirror:

1. Когато токовата огледална верига на Уилсън е предубедена с максимално висока честота, веригата за отрицателна обратна връзка причинява нестабилност в честотната характеристика.
2. Той има по-високо напрежение за съответствие в сравнение с основната огледална верига с два транзисторни тока.
3. Токът на огледалото на Уилсън създава шум през изхода. Това се дължи на обратната връзка, която повишава изходния импеданс и пряко влияе върху тока на колектора. Колебанията на колекторния ток допринасят за шумове в изхода.

Практически пример за токова огледална верига на Уилсън

Тук огледалото на Уилсън е симулирано с помощта на Proteus.

Трите активни компонента (BJT) се използват за направата на веригата. Всички BJT са 2N2222, със същите спецификации. Потът е избран за промяна на тока през Q2 колектора, което допълнително ще се отрази на Q3 колектора. За изходно натоварване се избира резистор от 10 ома.

Ето симулационното видео за техниката на Wilson Current Mirror-

Във видеото програмираното напрежение в колектора на Q2 се отразява през колектора на Q3.

Техника на огледалото Widlar Current

Друга отлична верига на огледални токове е веригата на източника на ток Widlar, изобретена от Боб Уидлар.

Веригата е точно същата като основната токова огледална верига, използваща два транзистора BJT. Но има модификация в изходния транзистор. Изходният транзистор използва резистор за дегенерация на емитер, за да осигури ниски токове през изхода, използвайки само умерени стойности на резистора.

Един от популярните примери за приложение на източника на ток Widlar е във веригата на операционния усилвател uA741.

На изображението по-долу е показана схема на източник на ток Widlar.

Веригата се състои само от два транзистора T1 & T2 и два резистора R1 & R2. Веригата е същата като веригата на огледалото на двата транзистора без R2. R2 е свързан последователно с T2 емитер и земя. Този емитер резистор ефективно намалява тока през T2 в сравнение с T1. Това става чрез спада на напрежението на този резистор, този спад на напрежението намалява напрежението на базовия емитер на изходния транзистор, което допълнително води до намален ток на колектора през T2.

Анализиране и извеждане на изходен импеданс за верига на огледално огледало на Widlar

Както бе споменато по-горе, че токът през T2 е намален в сравнение с тока T1, което може да бъде допълнително тествано и анализирано чрез симулации на Cadence Pspice. Нека да видим конструкцията на веригата Widlar и симулациите на изображението по-долу,

Веригата е изградена в Cadence Pspice. В схемата се използват два транзистора със същата спецификация, което е 2N2222. Текущите сонди показват текущия график през Q2 и Q1 колектор.

В симулацията може да се види в изображението по-долу.

На горната фигура червеният график, който е колекторният ток на Q1, намалява в сравнение с Q2.

Прилагане на KVL (Закон за напрежението на Kirchhoff) през кръстовището на база-емитер на веригата, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

Β ₂ е за изходния транзистор. Той е напълно различен от входния транзистор, тъй като текущият график на симулационната графика ясно показва, че токът в два транзистора е различен.

Окончателната формула може да бъде извлечена от горната формула, ако крайният β е отменен и ако променим I _C1 като I _IN и I _C2 като I _OUT. Следователно,

За да се измери изходното съпротивление на източника на ток Widlar, веригата с малък сигнал е полезна опция. Изображението по-долу е еквивалентна малка сигнална верига за източник на ток Widlar.

Токът Ix се прилага през веригата за измерване на изходното съпротивление на веригата. Така че, според закона на Ома, изходното съпротивление е

Vx / Ix

В съпротивление на изхода може да се определи чрез прилагане на закон на Кирхоф е от другата страна на лявата земята до R2, то с огромен

Отново, прилагайки закона за напрежението на Kirchhoff през R2 земята към земята на входния ток, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - βR ₀)

Сега, променяйки стойността, крайното уравнение за извеждане на изходното съпротивление на веригата Widlar Current Mirror е

Така че по този начин техниките за огледални токове на Wilson и Widlar могат да бъдат използвани за подобряване на дизайна на основната верига за огледални токове.