- Poboljšanje osnovnog strujnog kruga zrcala
- Wilsonov strujni krug zrcala
- Prednosti i ograničenje Wilsonove tehnike trenutnog zrcala
- Praktični primjer Wilsonovog strujnog kruga zrcala
- Tehnika zrcala Widlar Current
- Analiza i izvođenje izlazne impedancije za krug zrcala struje Widlar
U prethodnom članku raspravljali smo o strujnom zrcalnom krugu i o tome kako se on može graditi pomoću tranzistora i MOSFET-a. Unatoč činjenici da se osnovni strujni krug zrcala može konstruirati pomoću dvije jednostavne aktivne komponente, BJT-a i MOSFET-a ili pomoću kruga pojačala, izlaz nije savršen, kao i da ima određena ograničenja i ovisnosti o vanjskim stvarima. Dakle, da bi se dobio stabilan izlaz, u trenutnim krugovima zrcala koriste se dodatne tehnike.
Poboljšanje osnovnog strujnog kruga zrcala
Postoji nekoliko mogućnosti za poboljšanje izlaza strujnog zrcalnog kruga. U jednom od rješenja dodaju se jedan ili dva tranzistora u odnosu na tradicionalni dizajn dva tranzistora. Konstrukcija tih krugova koristi konfiguraciju sljednika emitera kako bi se prevladala osnovna strujna neusklađenost tranzistora. Dizajn može imati drugačiju strukturu sklopa za uravnoteženje izlazne impedancije.
Tri su primarne metrike za analizu trenutnih performansi zrcala kao dijela velikog kruga.
1. Prva metrika je količina statičke pogreške. To je razlika između ulazne i izlazne struje. Težak je zadatak minimizirati razliku jer je razlika diferencijalne jednostrane pretvorbe izlaza s diferencijalnim pojačalom pojačala odgovorna za kontrolu omjera odbijanja uobičajenog načina rada i napajanja.
2. Sljedeća najvažnija metrika je trenutni izvor izlazna impedancija ili izlaz vodljivost. To je ključno jer ponovno utječe na pozornicu tijekom trenutnog izvora koji djeluje poput aktivnog opterećenja. Također utječe na dobitak uobičajenog načina rada u različitim situacijama.
3. Za stabilan rad strujnih krugova zrcala, posljednja važna mjerna vrijednost su minimalni naponi koji dolaze iz priključka energetske tračnice koji se nalazi preko ulaznih i izlaznih stezaljki.
Kako bismo poboljšali izlaz osnovnog kruga trenutnog zrcala, uzimajući u obzir sve gore navedene mjerne podatke izvedbe, ovdje ćemo razgovarati o popularnim tehnikama trenutnog zrcala - Wilson Current Mirror Circuit i Widlar Current Source Circuit.
Wilsonov strujni krug zrcala
Sve je započelo izazovom dvojice inženjera, Georgea R. Wilsona i Barrie Gilbert, da preko noći naprave poboljšani strujni krug zrcala. Nepotrebno je reći da je George R. Wilson pobijedio u izazovu 1967. Od imena Georgea R. Wilsona, poboljšani strujni krug zrcala koji je on dizajnirao naziva se Wilson Current Mirror Circuit.
Wilsonov strujni zrcalni krug koristi tri aktivna uređaja koji prihvaćaju struju preko svog ulaza i daju točnu kopiju ili zrcalnu kopiju struje na svoj izlaz.
Iznad Wilsonovog strujnog kruga zrcala postoje tri aktivne komponente koje su BJT i jedan otpor R1.
Ovdje su napravljene dvije pretpostavke - jedna je da svi tranzistori imaju isto strujno pojačanje, što je drugo, a druga je da su kolektorske struje T1 i T2 jednake, jer se T1 i T2 podudaraju i isti tranzistor. Stoga
I C1 = I C2 = I C
A ovo se odnosi i na osnovnu struju, I B1 = I B2 = I B
Osnovna struja T3 tranzistora može se lako izračunati po trenutnom pojačanju, koje je
I B3 = I C3 / β… (1)
I emiterska struja T3 bit će
I B3 = ((β + 1) / β) I C3 … (2)
Ako pogledamo gornju shemu, struja na T3 emiteru je zbroj T2 kolektorske i bazne struje T1 i T2. Stoga, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Kao što je gore spomenuto, ovo se može dalje procijeniti kao
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Stoga, I E3 = (1+ (2 / β)) I C
I E3 se može mijenjati prema (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
Struja kolektora može se zapisati kao, I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Opet prema shemi struje kroz
Gornja jednadžba može stvoriti vezu između trećeg tranzistorskog kolektora struje s ulaznim otpornikom. Kako? Ako je 2 / (β (β + 2)) << 1 onda je I C3 ≈ I R1. Izlazna struja se također može lako izračunati ako je napon emiter-baze tranzistora manji od 1V.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Dakle, za ispravnu i stabilnu izlaznu struju, R 1 i V 1 moraju biti u odgovarajućim vrijednostima. Da bi krug djelovao kao izvor stalne struje, R1 treba zamijeniti s izvorom stalne struje.
Poboljšanje Wilsonovog strujnog kruga zrcala
Wilsonov strujni krug zrcala može se dodatno poboljšati kako bi se postigla savršena točnost dodavanjem još jednog tranzistora.
Gornji krug je poboljšana verzija Wilsonovog strujnog kruga zrcala. U krug se dodaje četvrti tranzistor T4. Dodatni tranzistor T4 uravnotežuje napon kolektora T1 i T2. Napon kolektora T1 stabiliziran je količinom jednakom V BE4. To rezultira konačnim
Prednosti i ograničenje Wilsonove tehnike trenutnog zrcala
Strujni krug zrcala ima nekoliko prednosti u usporedbi s tradicionalnim osnovnim krugom zrcala struje -
- U slučaju osnovnog strujnog kruga zrcala, neusklađenost osnovne struje čest je problem. Međutim, ovaj Wilsonov strujni krug zrcala praktički uklanja osnovnu pogrešku ravnoteže struje. Zbog toga je izlazna struja blizu ulazne struje približno točna. I ne samo to, sklop koristi vrlo visoku izlaznu impedansu zbog negativne povratne sprege preko T1 s baze T3.
- Poboljšani Wilsonov strujni krug zrcala izrađen je pomoću 4 verzije tranzistora pa je koristan za rad pri jakim strujama.
- Wilsonov strujni krug zrcala pruža nisku impedansu na ulazu.
- Ne zahtijeva dodatni napon pristranosti i potrebni su minimalni resursi za njegovu konstrukciju.
Ograničenja Wilsonovog trenutnog zrcala:
- Kad je Wilsonov strujni krug zrcala pristran s maksimalno visokom frekvencijom, negativna povratna petlja uzrokuje nestabilnost frekvencijskog odziva.
- Ima veći napon usklađenosti u usporedbi s osnovnim zrcalnim krugom s dva tranzistora.
- Wilsonov strujni krug zrcala stvara šum na izlazu. To je zbog povratne sprege koja povećava izlaznu impedansu i izravno utječe na struju kolektora. Kolebanje struje kolektora doprinosi šumovima na izlazu.
Praktični primjer Wilsonovog strujnog kruga zrcala
Ovdje se Wilsonovo strujno zrcalo simulira pomoću Proteusa.
Tri aktivne komponente (BJT) koriste se za izradu sklopa. Svi BJT-ovi su 2N2222, s istim specifikacijama. Pot je odabran za promjenu struje kroz Q2 kolektor što će se dalje odraziti na Q3 kolektor. Za izlazno opterećenje odabire se otpor od 10 ohma.
Evo simulacijskog videa za Wilson Current Mirror Technique-
U videu se programirani napon na Q2 kolektoru odražava na Q3 kolektoru.
Tehnika zrcala Widlar Current
Sljedeći izvrsni strujni zrcalni krug je strujni krug Widlar, koji je izumio Bob Widlar.
Krug je potpuno isti kao i osnovni strujni krug zrcala pomoću dva BJT tranzistora. Ali postoji izmjena u izlaznom tranzistoru. Izlazni tranzistor koristi otpornik za degeneraciju emitera za pružanje niskih struja na izlazu koristeći samo umjerene vrijednosti otpornika.
Jedan od popularnih primjera primjene Widlarovog izvora struje je u krugu operativnog pojačala uA741.
Na donjoj slici prikazan je krug izvora struje Widlar.
Krug se sastoji od samo dva tranzistora T1 & T2 i dva otpornika R1 & R2. Krug je isti kao strujni krug zrcala dva tranzistora bez R2. R2 je serijski povezan s T2 emitorom i masom. Ovaj otpornik emitera učinkovito smanjuje struju preko T2 u usporedbi s T1. To se postiže padom napona na ovom otporniku, a taj pad napona smanjuje napon osnovnog emitra izlaznog tranzistora, što dalje rezultira smanjenom strujom kolektora na T2.
Analiza i izvođenje izlazne impedancije za krug zrcala struje Widlar
Kao što je prethodno spomenuto da je struja preko T2 smanjena u usporedbi s strujom T1, što se može dalje testirati i analizirati pomoću simulacija Cadence Pspice. Pogledajmo konstrukciju i simulacije kruga Widlar na donjoj slici,
Krug je konstruiran u Cadence Pspice. U sklopu se koriste dva tranzistora s istim specifikacijama, a to je 2N2222. Trenutne sonde prikazuju trenutni prikaz na kolektoru Q2 i Q1.
Simulacija može se vidjeti u nastavku slici.
Na gornjoj slici crvena crta, koja predstavlja kolektorsku struju Q1, smanjuje se u usporedbi s Q2.
Primjenjujući KVL (Kirchhoff-ov zakon napona) preko spoja baza-emiter kruga, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Β 2 je za izlazni tranzistor. Potpuno se razlikuje od ulaznog tranzistora jer trenutna grafika na simulacijskom grafikonu jasno pokazuje da su struje u dva tranzistora različite.
Konačna formula može se izvući iz gornje formule ako je konačni β nadjačan i ako promijenimo I C1 kao I IN i I C2 kao I OUT. Stoga,
Za mjerenje izlaznog otpora Widlarovog izvora struje korisna je opcija signalni krug. Slika dolje je ekvivalentni mali signalni krug za Widlarov izvor struje.
Struja Ix primjenjuje se preko kruga za mjerenje izlaznog otpora kruga. Dakle, prema omskom zakonu, izlazni otpor je
Vx / Ix
Otpor izlaza može se odrediti primjenom Kirchoffovih zakon po lijevoj zemlju na R2, to is-
Opet, primjenjujući Kirchhoffov zakon napona na R2 masi na tlo ulazne struje, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Sada je promjena vrijednosti konačna jednadžba za izvođenje izlaznog otpora kruga zrcala Widlar Current
Dakle, na ovaj se način Wilson i Widlarove trenutne zrcalne tehnike mogu koristiti za poboljšanje dizajna osnovnog kruga trenutnih zrcala.