Pašreizējā spoguļa shēma: Vilsona un Vatlera pašreizējās spoguļu veidošanas metodes

Iepriekšējā rakstā mēs apspriedām par pašreizējo spoguļa shēmu un to, kā to var izveidot, izmantojot tranzistoru un MOSFET. Neskatoties uz to, ka pamata strāvas spoguļa ķēdi var uzbūvēt, izmantojot divus vienkāršus aktīvos komponentus - BJT un MOSFET vai izmantojot pastiprinātāja shēmu, izeja nav perfekta, kā arī tai ir noteikti ierobežojumi un atkarība no ārējām lietām. Tātad, lai iegūtu stabilu izvadi, pašreizējās spoguļu ķēdēs tiek izmantotas papildu metodes.

Pašreizējās spoguļa ķēdes uzlabošana

Pastāv vairākas iespējas, kā uzlabot pašreizējās spoguļa shēmas izvadi. Vienā no risinājumiem tiek pievienots viens vai divi tranzistori, salīdzinot ar tradicionālo divu tranzistoru konstrukciju. Šo ķēžu konstrukcijā tiek izmantota izstarotāja sekotāja konfigurācija, lai pārvarētu tranzistoru bāzes strāvas neatbilstību. Projektam var būt cita veida ķēdes struktūra, lai līdzsvarotu izejas pretestību.

Ir trīs galvenie rādītāji, lai analizētu pašreizējo spoguļa veiktspēju kā daļu no lielas ķēdes.

1. Pirmā metrika ir statiskās kļūdas apjoms. Tā ir atšķirība starp ieejas un izejas strāvu. Tas ir grūts uzdevums, lai samazinātu atšķirību, jo diferenciālas vienpusējas izejas pārveidošanas atšķirība ar diferenciālā pastiprinātāja pastiprinājumu ir atbildīga par kopējā režīma un barošanas avota noraidīšanas koeficienta kontroli.

2. Nākamais vissvarīgākais rādītājs ir pašreizējais avots izejas pretestība, vai izejas vadītspēju. Tas ir izšķiroši, jo tas atkal ietekmē posmu, kamēr pašreizējais avots darbojas kā aktīva slodze. Tas ietekmē arī kopējā režīma pieaugumu dažādās situācijās.

3. Strāvas spoguļu ķēžu stabilai darbībai pēdējais svarīgais rādītājs ir minimālais spriegums, kas nāk no barošanas sliežu savienojuma, kas atrodas pāri ieejas un izejas spailēm.

Tātad, lai uzlabotu pamata strāvas spoguļa ķēdes izlaidi, ņemot vērā visus iepriekš minētos veiktspējas rādītājus, šeit mēs apspriedīsim populārākās pašreizējās spoguļa tehnikas - Wilson strāvas spoguļa ķēdi un Widlar strāvas avota shēmu.

Vilsona pašreizējā spoguļa shēma

Viss sākās ar divu inženieru - Džordža R. Vilsona un Barija Gilberta - izaicinājumu pa nakti izveidot uzlabotu strāvas spoguļa ķēdi. Lieki piebilst, ka Džordžs R. Vilsons uzvarēja izaicinājumā 1967. gadā. No Džordža R. Vilsona vārda viņa izstrādāto uzlaboto strāvas spoguļu ķēdi sauc par Vilsona strāvas spoguļu ķēdi.

Vilsona strāvas spoguļa ķēde izmanto trīs aktīvās ierīces, kas pieņem strāvu visā tās ieejā un nodrošina izejas precīzu strāvas kopiju vai spoguļotu kopiju.

Iepriekš Vilsona strāvas spoguļa ķēdē ir trīs aktīvās sastāvdaļas, kas ir BJT un viens rezistors R1.

Šeit tiek izdarīti divi pieņēmumi - viens ir tāds, ka visiem tranzistoriem ir vienāds strāvas pieaugums, kas ir, un, otrkārt, ka T1 un T2 kolektora strāvas ir vienādas, jo T1 un T2 ir saskaņoti un tas pats tranzistors. Tāpēc

I _C1 = I _C2 = I _C

Un tas attiecas arī uz bāzes strāvu, I _B1 = I _B2 = I _B

T3 tranzistora bāzes strāvu var viegli aprēķināt pēc strāvas pieauguma, kas ir

I _B3 = I _C3 / β… (1)

T3 emitētāja strāva būs

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3 … (2)

Ja mēs aplūkojam iepriekš minēto shēmu, strāva T3 izstarotājā ir T2 kolektora strāvas un T1 un T2 bāzes strāvu summa. Tāpēc

I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

Tagad, kā apspriests iepriekš, to var tālāk novērtēt kā

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

Tādējādi

I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

I _E3 var mainīt atbilstoši (2)

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

Kolektora strāvu var rakstīt kā:

I _C = ((1+ β) / (β + 2)) I _C3 … (3)

Atkal saskaņā ar shēmu pašreizējais cauri

Iepriekš minētais vienādojums var izveidot saikni starp trešā tranzistora kolektoru strāvu ar ieejas rezistoru. Kā? Ja 2 / (β (β + 2)) << 1, tad I _C3 ≈ I _R1. Izejas strāvu var viegli aprēķināt arī tad, ja tranzistoru bāzes emitētāja spriegums ir mazāks par 1 V.

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

Tātad, par pareizu un stabilu izejas strāvu, R ₁ un V ₁ vajadzība būt pareizas vērtības. Lai ķēde darbotos kā pastāvīgs strāvas avots, R1 jāaizstāj ar pastāvīgu strāvas avotu.

Wilson Current Mirror Circuit uzlabošana

Vilsona strāvas spoguļa ķēdi var vēl uzlabot, lai iegūtu perfektu precizitāti , pievienojot citu tranzistoru.

Iepriekš minētā shēma ir uzlabota Vilsona strāvas spoguļa shēmas versija. Ķēdē tiek pievienots ceturtais tranzistors T4. Papildu tranzistors T4 līdzsvaro kolektora spriegumu T1 un T2. Kolektora spriegumu T1 stabilizē ar summu, kas vienāda ar V _BE4. Tā rezultātā ir ierobežots

un arī stabilizēt sprieguma atšķirības starp T1 un T2.

Vilsona pašreizējās spoguļa tehnikas priekšrocības un ierobežojums

Pašreizējai spoguļa shēmai ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālo strāvas spoguļa ķēdi -

1. Pamata strāvas spoguļa ķēdes gadījumā bāzes strāvas neatbilstība ir izplatīta problēma. Tomēr šī Vilsona strāvas spoguļa shēma faktiski novērš bāzes strāvas līdzsvara kļūdu. Tāpēc izejas strāva ir gandrīz precīza, salīdzinot ar ieejas strāvu. Ne tikai tas, ka ķēdē tiek izmantota ļoti liela izejas pretestība negatīvās atgriezeniskās saites dēļ T1 no T3 pamatnes.
2. Uzlabotā Vilsona strāvas spoguļu shēma tiek izgatavota, izmantojot 4 tranzistora versijas, tāpēc tā ir noderīga darbībai ar lielu strāvu.
3. Vilsona strāvas spoguļa ķēde nodrošina zemu pretestību ieejā.
4. Tam nav nepieciešams papildu novirzes spriegums, un tā konstruēšanai ir nepieciešami minimāli resursi.

Vilsona pašreizējā spoguļa ierobežojumi:

1. Kad Vilsona strāvas spoguļa ķēde ir novirzīta ar maksimālo augsto frekvenci, negatīvās atgriezeniskās saites cilpa rada nestabilitāti frekvences reakcijā.
2. Tam ir lielāks atbilstības spriegums, salīdzinot ar pamata divu tranzistoru strāvas spoguļu ķēdi.
3. Vilsona strāvas spoguļa ķēde rada troksni visā izvadā. Tas ir saistīts ar atgriezenisko saiti, kas palielina izejas pretestību un tieši ietekmē kolektora strāvu. Kolektora strāvas svārstības rada trokšņus visā izejā.

Vilsona strāvas spoguļa ķēdes praktiskais piemērs

Šeit tiek simulēts Vilsona pašreizējais spogulis, izmantojot Proteus.

Trīs aktīvās sastāvdaļas (BJT) tiek izmantotas shēmas veidošanai. Visi BJT ir 2N2222, ar vienādām specifikācijām. Katls tiek izvēlēts, lai mainītu strāvu Q2 kolektorā, kas tālāk atspoguļosies Q3 kolektorā. Izejas slodzei tiek izvēlēts 10 omu rezistors.

Šeit ir simulācijas video Wilson Current Mirror Technique-

Videoklipā ieprogrammētais spriegums pāri Q2 kolektoram atspoguļojas visā Q3 kolektorā.

Widlar pašreizējā spoguļa tehnika

Vēl viena lieliska pašreizējā spoguļa shēma ir Widlar pašreizējā avota ķēde, kuru izgudroja Bobs Widlar.

Ķēde ir tieši tāda pati kā pamata strāvas spoguļa ķēde, izmantojot divus BJT tranzistorus. Bet izejas tranzistorā ir modifikācija. Izejas tranzistors izmanto emitētāja deģenerācijas rezistoru, lai nodrošinātu zemu strāvu visā izejā, izmantojot tikai mērenas rezistora vērtības.

Viens no populārākajiem Widlar strāvas avota pielietojuma piemēriem ir operatīvā pastiprinātāja uA741 ķēde.

Zemāk redzamajā attēlā ir parādīta Widlar strāvas avota ķēde.

Kontūru veido tikai divi tranzistori T1 un T2 un divi rezistori R1 un R2. Ķēde ir tāda pati kā divu tranzistoru strāvas spoguļa ķēde bez R2. R2 ir savienots virknē ar T2 izstarotāju un zemi. Šis izstarojošais rezistors efektīvi samazina strāvu visā T2, salīdzinot ar T1. To veic ar sprieguma kritumu šajā rezistorā, šis sprieguma kritums samazina izejas tranzistora bāzes-izstarotāja spriegumu, kas vēl vairāk samazina kolektora strāvu visā T2.

Analizējot un atvasinot Widlar strāvas spoguļa ķēdes izejas pretestību

Kā jau iepriekš minēts, ka strāva visā T2 ir samazināta salīdzinājumā ar T1 strāvu, ko var tālāk pārbaudīt un analizēt, izmantojot Cadence Pspice simulācijas. Apskatīsim Widlar shēmas uzbūvi un simulācijas zemāk esošajā attēlā,

Kontūra ir konstruēta Cadence Pspice. Shēmā tiek izmantoti divi tranzistori ar tādu pašu specifikāciju, kas ir 2N2222. Pašreizējās zondes parāda pašreizējo diagrammu Q2 un Q1 kolektorā.

Simulācijas var redzēt zemāk attēlā.

Iepriekš redzamajā attēlā sarkanais grafiks, kas ir Q1 kolektora strāva, samazinās, salīdzinot ar Q2.

Pielietojot KVL (Kirhofa sprieguma likumu) visā ķēdes bāzes-emitētāja krustojumā, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

Β ₂ ir paredzēts izejas tranzistoram. Tas pilnīgi atšķiras no ieejas tranzistora, jo simulācijas grafika strāvas diagramma skaidri parāda, ka strāva divos tranzistoros ir atšķirīga.

Galīgo formulu var iegūt no iepriekš minētās formulas, ja galīgais β tiek ignorēts un ja mēs mainām I _C1 kā I _IN un I _C2 kā I _OUT. Tāpēc

Lai izmērītu Widlar strāvas avota izejas pretestību, maza signāla ķēde ir noderīga iespēja. Zemāk redzamais attēls ir līdzvērtīga maza signāla ķēde Widlar strāvas avotam.

Lai izmērītu ķēdes izejas pretestību, visā ķēdē tiek lietota strāva Ix. Tātad, saskaņā ar Ohma likumu, izejas pretestība ir

Vx / Ix

Izejas pretestība var noteikt, piemērojot Kirchoff bauslību pāri kreisās zemes līdz R2, tas ir-

Atkal, piemērojot Kirchhoff sprieguma likumu visā R2 zemē līdz ieejas strāvas zemei, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - βR ₀)

Tagad, mainot vērtību, galīgais vienādojums, lai iegūtu Widlara strāvas spoguļa ķēdes izejas pretestību, ir

Tātad Wilson un Widlar pašreizējās spoguļu tehnikas var izmantot, lai uzlabotu pamata strāvas spoguļa shēmas dizainu.