- Βελτίωση του κυκλώματος βασικού ρεύματος καθρέφτη
- Κύκλωμα καθρέφτη Wilson
- Πλεονεκτήματα και περιορισμός της τεχνικής του τρέχοντος καθρέφτη Wilson
- Πρακτικό παράδειγμα κυκλώματος ρεύματος καθρέφτη Wilson
- Τεχνική Τρέχοντος Καθρέφτης Widlar
- Ανάλυση και εξαγωγή αντίστασης εξόδου για το κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος Widlar
Στο προηγούμενο άρθρο, συζητήσαμε για το τρέχον κύκλωμα καθρέφτη και πώς μπορεί να κατασκευαστεί με χρήση τρανζίστορ και MOSFET. Παρά το γεγονός ότι το βασικό κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας δύο απλά ενεργά συστατικά, BJT και MOSFET ή χρησιμοποιώντας κύκλωμα ενισχυτή, η έξοδος δεν είναι τέλεια, καθώς έχει ορισμένους περιορισμούς και εξαρτήσεις από τα εξωτερικά πράγματα. Έτσι, για να έχετε μια σταθερή έξοδο, χρησιμοποιούνται επιπλέον τεχνικές στα τρέχοντα κυκλώματα καθρεφτών.
Βελτίωση του κυκλώματος βασικού ρεύματος καθρέφτη
Υπάρχουν πολλές επιλογές για τη βελτίωση της εξόδου του τρέχοντος κυκλώματος καθρέφτη. Σε μία από τις λύσεις προστίθενται ένα ή δύο τρανζίστορ πάνω από τον παραδοσιακό σχεδιασμό δύο τρανζίστορ. Η κατασκευή αυτών των κυκλωμάτων χρησιμοποιεί τη ρύθμιση παραμέτρων του εκπομπού για να ξεπεράσει την αναντιστοιχία βασικού ρεύματος των τρανζίστορ. Ο σχεδιασμός μπορεί να έχει διαφορετικό είδος δομής κυκλώματος για εξισορρόπηση της σύνθετης αντίστασης εξόδου.
Υπάρχουν τρεις βασικές μετρήσεις για την ανάλυση της τρέχουσας απόδοσης του καθρέφτη ως μέρος ενός μεγάλου κυκλώματος.
1. Η πρώτη μέτρηση είναι το ποσό του στατικού σφάλματος. Είναι η διαφορά μεταξύ των ρευμάτων εισόδου και εξόδου. Είναι δύσκολο να ελαχιστοποιηθεί η διαφορά, καθώς η διαφορά της διαφορικής μετατροπής εξόδου με ένα άκρο με το κέρδος διαφορικού ενισχυτή είναι υπεύθυνη για τον έλεγχο του λόγου απόρριψης της κοινής λειτουργίας και της τροφοδοσίας.
2. Η επόμενη πιο κρίσιμη μέτρηση είναι η τρέχουσα αντίσταση εξόδου πηγής ή η αγωγιμότητα εξόδου. Είναι ζωτικής σημασίας επειδή επηρεάζει ξανά τη σκηνή κατά τη διάρκεια της τρέχουσας πηγής που ενεργεί σαν ενεργό φορτίο. Επηρεάζει επίσης το κοινό κέρδος λειτουργίας σε διαφορετικές καταστάσεις.
3. Για τη σταθερή λειτουργία των τρεχόντων κυκλωμάτων καθρεπτών, η τελευταία σημαντική μέτρηση είναι οι ελάχιστες τάσεις που προέρχονται από τη σύνδεση της ράγας ισχύος που βρίσκεται απέναντι από τους ακροδέκτες εισόδου και εξόδου.
Έτσι, για να βελτιώσουμε την έξοδο του Basic Current Mirror Circuit, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις παραπάνω μετρήσεις απόδοσης, εδώ θα συζητήσουμε για τις δημοφιλείς Τρέχουσες Τεχνικές Καθρεφτών - Wilson Current Mirror Circuit και Widlar Current Source Circuit.
Κύκλωμα καθρέφτη Wilson
Όλα ξεκίνησαν με μια πρόκληση μεταξύ δύο μηχανικών, του George R. Wilson και της Barrie Gilbert, να κάνουν ένα βελτιωμένο κύκλωμα καθρέφτη εν μία νυκτί. Περιττό να πούμε ότι ο George R. Wilson κέρδισε την πρόκληση το 1967. Από το όνομα του George R. Wilson, το βελτιωμένο κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος που σχεδίασε ο ίδιος ονομάζεται Wilson Current Mirror Circuit.
Το τρέχον κύκλωμα καθρέφτη Wilson χρησιμοποιεί τρεις ενεργές συσκευές που δέχονται το ρεύμα κατά την είσοδό του και παρέχουν το ακριβές αντίγραφο ή το κατοπτρικό αντίγραφο του ρεύματος στην έξοδο.
Στο παραπάνω Wilson Current Mirror Circuit, υπάρχουν τρία ενεργά συστατικά που είναι BJTs και μία αντίσταση R1.
Εδώ γίνονται δύο παραδοχές - το ένα είναι ότι όλα τα τρανζίστορ έχουν το ίδιο κέρδος ρεύματος που είναι και το δεύτερο είναι ότι τα ρεύματα συλλεκτών των Τ1 και Τ2 είναι ίσα, καθώς τα Τ1 και Τ2 ταιριάζουν και το ίδιο τρανζίστορ. Επομένως
I C1 = I C2 = I C
Και αυτό ισχύει και για το ρεύμα βάσης, I B1 = I B2 = I Β
Το ρεύμα βάσης του τρανζίστορ T3 μπορεί εύκολα να υπολογιστεί από το τρέχον κέρδος, που είναι
I B3 = I C3 / β… (1)
Και το ρεύμα εκπομπής του T3 θα είναι
I B3 = ((β + 1) / β) I C3 … (2)
Αν κοιτάξουμε το παραπάνω σχηματικό, το ρεύμα απέναντι στον εκπομπό T3 είναι το άθροισμα του ρεύματος συλλέκτη T2 και των ρευμάτων βάσης των T1 & T2. Επομένως, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Τώρα, όπως συζητήθηκε παραπάνω, αυτό μπορεί να αξιολογηθεί περαιτέρω ως
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Ως εκ τούτου, I E3 = (1+ (2 / β)) I C
Το I E3 μπορεί να αλλάξει σύμφωνα με το (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
Το ρεύμα συλλέκτη μπορεί να γραφτεί ως, I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Και πάλι σύμφωνα με το σχηματικό, το ρεύμα μέσω
Η παραπάνω εξίσωση μπορεί να δημιουργήσει μια σχέση μεταξύ του Τρίτου τρανζίστορ συλλεκτών ρεύματος με την αντίσταση εισόδου. Πως? Εάν 2 / (β (β + 2)) << 1 τότε το I C3 ≈ I R1. Το ρεύμα εξόδου μπορεί επίσης να υπολογιστεί εύκολα εάν η τάση εκπομπού βάσης των τρανζίστορ είναι μικρότερη από 1V.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Έτσι, για τη σωστή και σταθερή ρεύμα εξόδου, το R 1 και V 1 ανάγκη να είναι σε κατάλληλες τιμές. Για να λειτουργήσει το κύκλωμα ως πηγή σταθερού ρεύματος, το R1 πρέπει να αντικατασταθεί με πηγή σταθερού ρεύματος.
Βελτίωση του κυκλώματος τρέχοντος καθρέφτη Wilson
Το τρέχον κύκλωμα καθρέφτη Wilson μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω για να έχει τέλεια ακρίβεια προσθέτοντας ένα άλλο τρανζίστορ.
Το παραπάνω κύκλωμα είναι η βελτιωμένη έκδοση του τρέχοντος κυκλώματος καθρέφτη Wilson. Το τέταρτο τρανζίστορ Τ4 προστίθεται στο κύκλωμα. Το πρόσθετο τρανζίστορ Τ4 εξισορροπεί την τάση συλλέκτη των Τ1 και Τ2. Η τάση συλλέκτη του Τ1 σταθεροποιείται με το ποσό ίσο με το V BE4. Αυτό οδηγεί σε πεπερασμένο
Πλεονεκτήματα και περιορισμός της τεχνικής του τρέχοντος καθρέφτη Wilson
Το τρέχον κύκλωμα καθρέφτη έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με το παραδοσιακό βασικό κύκλωμα ρεύματος καθρέφτη-
- Σε περίπτωση βασικού κυκλώματος καθρέφτη ρεύματος, η αναντιστοιχία βασικού ρεύματος είναι ένα κοινό πρόβλημα. Ωστόσο, αυτό το κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος Wilson εξαλείφει ουσιαστικά το σφάλμα ισορροπίας βασικού ρεύματος. Λόγω αυτού, το ρεύμα εξόδου είναι σχεδόν ακριβές από το ρεύμα εισόδου. Όχι μόνο αυτό, το κύκλωμα χρησιμοποιεί πολύ υψηλή αντίσταση εξόδου λόγω της αρνητικής ανάδρασης κατά μήκος του Τ1 από τη βάση του Τ3.
- Το βελτιωμένο κύκλωμα καθρέφτη Wilson είναι κατασκευασμένο χρησιμοποιώντας 4 εκδόσεις τρανζίστορ, οπότε είναι χρήσιμο για τη λειτουργία σε υψηλά ρεύματα.
- Το κύκλωμα καθρέφτη Wilson παρέχει χαμηλή αντίσταση στην είσοδο.
- Δεν απαιτεί επιπλέον τάση πόλωσης και απαιτούνται ελάχιστοι πόροι για την κατασκευή της.
Περιορισμοί του τρέχοντος καθρέφτη Wilson:
- Όταν το κύκλωμα καθρέφτη Wilson τρέχει με μέγιστη υψηλή συχνότητα, ο βρόχος αρνητικής ανάδρασης προκαλεί αστάθεια στην απόκριση συχνότητας.
- Έχει υψηλότερη τάση συμμόρφωσης σε σύγκριση με το βασικό κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος δύο τρανζίστορ.
- Το τρέχον κύκλωμα καθρέφτη Wilson δημιουργεί θόρυβο στην έξοδο. Αυτό οφείλεται στην ανατροφοδότηση που αυξάνει την αντίσταση εξόδου και επηρεάζει άμεσα το ρεύμα του συλλέκτη. Η διακύμανση ρεύματος συλλέκτη συμβάλλει στους θορύβους στην έξοδο.
Πρακτικό παράδειγμα κυκλώματος ρεύματος καθρέφτη Wilson
Εδώ προσομοιώνεται ο τρέχων καθρέφτης Wilson χρησιμοποιώντας το Proteus.
Τα τρία ενεργά συστατικά (BJT) χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του κυκλώματος. Τα BJT είναι όλα 2N2222, με τις ίδιες προδιαγραφές. Το pot επιλέγεται για να αλλάξει το ρεύμα στο Q2 συλλέκτη που θα αντανακλά περαιτέρω τον Q3 συλλέκτη. Για το φορτίο εξόδου, επιλέγεται μια αντίσταση 10 Ohms.
Εδώ είναι το βίντεο προσομοίωσης για την τεχνική Wilson Current Mirror-
Στο βίντεο, η προγραμματισμένη τάση στον συλλέκτη του Q2 αντανακλά τον συλλέκτη Q3.
Τεχνική Τρέχοντος Καθρέφτης Widlar
Ένα άλλο εξαιρετικό κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος είναι το κύκλωμα πηγής ρεύματος Widlar, που εφευρέθηκε από τον Bob Widlar.
Το κύκλωμα είναι ακριβώς το ίδιο με το βασικό κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος χρησιμοποιώντας δύο τρανζίστορ BJT. Αλλά υπάρχει μια τροποποίηση στο τρανζίστορ εξόδου. Το τρανζίστορ εξόδου χρησιμοποιεί μια αντίσταση εκφυλισμού εκπομπού για να παρέχει χαμηλά ρεύματα σε όλη την έξοδο χρησιμοποιώντας μόνο μέτριες τιμές αντίστασης.
Ένα από τα δημοφιλή παραδείγματα εφαρμογής της πηγής ρεύματος Widlar είναι στο κύκλωμα λειτουργικού ενισχυτή uA741.
Στην παρακάτω εικόνα, εμφανίζεται ένα κύκλωμα πηγής ρεύματος Widlar.
Το κύκλωμα αποτελείται από μόνο δύο τρανζίστορ T1 & T2 και δύο αντιστάσεις R1 & R2. Το κύκλωμα είναι ίδιο με το κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος των δύο τρανζίστορ χωρίς το R2. Το R2 συνδέεται εν σειρά με τον εκπομπό T2 και τη γείωση. Αυτή η αντίσταση εκπομπής μειώνει αποτελεσματικά το ρεύμα σε όλη την T2 σε σύγκριση με το T1. Αυτό γίνεται με την πτώση τάσης σε αυτήν την αντίσταση, αυτή η πτώση τάσης μειώνει την τάση εκπομπού βάσης του τρανζίστορ εξόδου που οδηγεί περαιτέρω σε μειωμένο ρεύμα συλλέκτη κατά μήκος του Τ2.
Ανάλυση και εξαγωγή αντίστασης εξόδου για το κύκλωμα καθρέφτη ρεύματος Widlar
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως ότι το ρεύμα σε όλη την Τ2 μειώνεται σε σύγκριση με το ρεύμα Τ1, που μπορεί να δοκιμαστεί και να αναλυθεί περαιτέρω χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις Cadence Pspice Ας δούμε την κατασκευή κυκλώματος Widlar και τις προσομοιώσεις στην παρακάτω εικόνα,
Το κύκλωμα κατασκευάζεται στο Cadence Pspice. Δύο κυκλώματα τρανζίστορ με την ίδια προδιαγραφή χρησιμοποιούνται στο κύκλωμα, το οποίο είναι 2N2222. Οι τρέχοντες ανιχνευτές δείχνουν την τρέχουσα γραφική παράσταση μεταξύ των συλλεκτών Q2 και Q1.
Η προσομοίωση φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.
Στο παραπάνω σχήμα, το κόκκινο διάγραμμα, το οποίο είναι το ρεύμα συλλογής του Q1, μειώνεται σε σύγκριση με το Q2.
Εφαρμογή του KVL (Kirchhoff's Voltage Law) στη διασταύρωση βάσης-εκπομπής του κυκλώματος, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Το β 2 είναι για το τρανζίστορ εξόδου. Είναι εντελώς διαφορετικό από το τρανζίστορ εισόδου, καθώς η τρέχουσα γραφική παράσταση στο γράφημα προσομοίωσης δείχνει σαφώς ότι το ρεύμα σε δύο τρανζίστορ είναι διαφορετικά.
Ο τελικός τύπος μπορεί να αντληθεί από τον παραπάνω τύπο εάν το πεπερασμένο β παρακαμφθεί και αν αλλάξουμε το I C1 ως I IN και το I C2 ως I OUT. Επομένως,
Για να μετρήσετε την αντίσταση εξόδου της πηγής ρεύματος Widlar, το κύκλωμα μικρού σήματος είναι μια χρήσιμη επιλογή. Η παρακάτω εικόνα είναι ένα ισοδύναμο μικρό κύκλωμα σήματος για την τρέχουσα πηγή Widlar.
Το τρέχον Ix εφαρμόζεται σε όλο το κύκλωμα για τη μέτρηση της αντίστασης εξόδου του κυκλώματος. Έτσι, σύμφωνα με το νόμο Ohms, η αντίσταση στην παραγωγή είναι
Vx / Ix
Η αντίσταση εξόδου μπορεί να προσδιοριστεί εφαρμόζοντας το νόμο του Kirchoff στο αριστερό έδαφος στο R2, είναι-
Και πάλι, εφαρμόζοντας το νόμο τάσης του Kirchhoff σε όλη τη γείωση R2 στο έδαφος του ρεύματος εισόδου, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Τώρα, αλλάζοντας την τιμή, η τελική εξίσωση για να αντλήσουμε την αντίσταση εξόδου του κυκλώματος Widlar Current Mirror είναι
Έτσι λοιπόν μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι τρέχουσες τεχνικές καθρέφτη Wilson και Widlar για τη βελτίωση των σχεδίων του βασικού κυκλώματος καθρέφτη ρεύματος.