Типы и применение токовых зеркал

Токовое зеркало является важным аналоговым строительным блоком, который находит применение в таких различных областях, как смещение по постоянному току и обработка сигналов в токовом режиме. Узнайте больше об аналоговом проектировании из этого введения в схемы токовых зеркал, в том числе и о том, как эта схема реализована в аналоговых микросхемах.

Токовое зеркало является важным аналоговым строительным блоком, который находит применение в таких различных областях, как смещение по постоянному току и обработка сигналов в токовом режиме. Этот блок бывает в различных реализациях, которые мы рассмотрим ниже:

• базовое зеркало;
• зеркало с бета-помощником;
• источник тока Видлара;
• зеркало Уилсона.

А начнем мы с рассмотрения некоторых основных характеристик биполярного транзистора.

Справочная информация: Характеристики биполярного транзистора

Чтобы получить общее представление, рассмотрим рисунок 1, на котором показаны выходные характеристики (зависимости i_К от v_КЭ) биполярного NPN транзистора для различных значений управляющего напряжения V_БЭ.

Мы видим, что при v_КЭ ≥ 0,2 В все кривые практически плоские, что указывает на способность биполярного транзистора пропускать ток независимо от напряжения коллектора (при условии, что это напряжение не упадет ниже примерно 0,2 В). Несмотря на то, что V_БЭ увеличивается с шагом в 10 мВ, i_К увеличивается геометрическим образом. Фактически, в активной области i_К связан с V_БЭ экспоненциально:

\[i_К = I_{нас}e^{v_{БЭ}/V_T} \qquad (1)\]

где I_нас – масштабный коэффициент, называемый током насыщения, а V_T – еще один масштабный коэффициент, называемый тепловым напряжением, поскольку он пропорционален абсолютной температуре T. Для маломощного биполярного транзистора I_нас обычно находится в диапазоне фемтоампер (1 фА = 10^-15 А).

V_T = 26 мВ при комнатной температуре. На рисунке 2a показан график PSpice уравнения (1) для биполярного транзистора с I_нас = 2 фА (это значение было выбрано таким образом, чтобы при v_БЭ = 700 мВ биполярный транзистор давал точно i_К = 1,0 мА).

Уравнение, обратное уравнению 1:

\[v_{БЭ} = V_T \ln\left(\frac{i_К}{I_{нас}}\right) \qquad (2)\]

Чтобы построить с помощью PSpice график v_БЭ как функцию i_К, мы соединяем клеммы базы и коллектора вместе, чтобы управлять биполярным транзистором в так называемом диодном режиме, а затем применяем испытательный ток i_Т, как показано на рисунке 2b.

Базовое токовое зеркало

Базовое зеркало, показанное на рисунке 3a, состоит из пары согласованных биполярных транзисторов, изготовленных (или установленных) в непосредственной близости друг от друга, и поэтому их характеристики (I_нас и V_T) отслеживают изменения друг друга в зависимости от температуры и времени.

Предполагая, что токи баз пренебрежимо малы, отметим, что Q₁, включенный как диод, реагирует на входной ток i_вх, создавая падение напряжения v_БЭ в соответствии с уравнением (2), показанным выше.

Поскольку на Q₂ испытывает то же v_БЭ, что и Q₁, мы должны получить i_К2 = i_К1 (согласно уравнению 1), поэтому Q₂ «отражает» Q₁. Предполагая, что токи баз пренебрежимо малы, мы имеем i_вых = i_вх.

По сравнению с рисунком 1b расширенный вид на рисунке 3b показывает, что кривая в активной области имеет ненулевой наклон. Это происходит из-за так называемого эффекта Эрли, в результате которого проекции всех кривых встречаются в общей точке, называемой напряжением Эрли V_A, на отрицательной части оси, как показано на рисунке 4.

Наклон кривой i_К в активной области обозначается как 1/r_вых, величина, обратная сопротивлению. Применяя простые геометрические рассуждения к рисунку 4, мы имеем наклон (= 1/r_вых) ≈ I_К/V_A, или

\[r_{вых} \cong \frac{V_A}{I_К} \qquad (3)\]

где I_К представляет ток на левом краю активной области.

В показанном примере PSpice используется V_A = 60 В, поэтому для I_К = 1 мА мы имеем r_вых ≈ 60/10^–3 = 60 кОм. Это означает, что эквивалент Нортона, видимый нагрузкой, представляет собой приемник тока 1 мА с параллельным сопротивлением 60 кОм. При каждом увеличении v_вых на 1 вольт r_вых отвечает за увеличение i_вых на (1 В)/(60 кОм) = 16,7 мкА.

Токовое зеркало с бета-помощником

Теперь взглянем поближе на токи баз простого зеркала на рисунке 3а. Известно, что ток базы, i_Б, биполярного транзистора связан с током коллектора i_К как i_Б = i_К/ß, где ß – коэффициент усиления по току биполярного транзистора. Обычно ß ≈ 100, хотя биполярные транзисторы в интегральных микросхемах могут иметь ß ≈ 250. Относительно рисунка 3a, первое правило Кирхгофа о токах для узла коллектора Q₁ подразумевает i_вх = i_К1 + i_Б1 + i_Б2 ≈ i_К1 + 2i_Б1 = i_К1 + 2i_К1/ß = i_К1(1 + 2/ß), или

\[i_{К1} \cong \frac{i_{вх}}{1+\frac{2}{\beta}} \cong i_{вх} \left( 1 - \frac{2}{\beta} \right) \qquad (4)\]

Это означает, что i_К1 (и, следовательно, i_К2, из-за зеркального действия) будет немного меньше, чем i_вх. Например, при ß = 100, i_К1 и, следовательно, i_вых (= i_К2 = i_К1) будут составлять около 98% от i_вх. Если эта погрешность недопустима, мы можем заручиться помощью третьего биполярного транзистора Q₃ для обеспечения i_Б1 и i_Б2, как показано на рисунке 5a.

Это снижает погрешность тока в узле коллектора Q₁ примерно в ß раз, поэтому уравнение (4) всё еще выполняется, но с заменой ß на ß².

Источник тока Видлара

В приложениях смещения по постоянному току часто необходимо синтезировать ток i_вых << i_вх. Схема на рисунке 5b, названная в честь своего изобретателя Боба Видлара, достигает этой цели с помощью резистора R, включенного последовательно с Q₂, чтобы уменьшить падение напряжения база-эмиттер Q₂ следующим образом

\[v_{БЭ2} = v_{БЭ1} - Ri_{вых} \qquad (5)\]

В связи с этим полезно помнить о следующих практических правилах, которые так дороги практикующим инженерам:

• чтобы увеличить (уменьшить) i_К на октаву, вам нужно увеличить (уменьшить) v_БЭ на 18 мВ (потому что e^±18/26 ≈ 2^±1);
• чтобы увеличить (уменьшить) i_К на декаду, вам нужно увеличить (уменьшить) v_БЭ на 60 мВ (потому что e^±60/26 ≈ 10^±1).

В качестве примера предположим, что у нас есть i_вх = 1 мА (= 1000 мкА), и мы хотим, чтобы i_вых = 20 мкА. Мы можем представить 20 как результат деления 1000 на 10, чтобы получить 100, деления 100 на 10, чтобы получить 10, а затем умножения 10 на 2, чтобы получить 20. Итак, на R должно падать напряжение (60 + 60 – 18) мВ = 102 мВ. Тогда R = (102 мВ)/(20 мкА) = 5,1 кОм.

Токовое зеркало Уилсона

Существуют приложения, в которых желательно, чтобы токовое зеркало (а) не подвергалось бета-погрешности уравнения (4), и (б) имело намного более высокое выходное сопротивление, чем r_вых в уравнении (3), т.е., чтобы оно могло точно соответствовать идеальному источнику тока. Зеркало на рисунке 6а, названное в честь его изобретателя Дж. Р. Уилсона, достигает обеих целей с помощью всего лишь одного дополнительного транзистора Q₃ (два зайца одним выстрелом). Эту элегантную схему можно анализировать систематически, но здесь мы ограничимся интуитивным обсуждением.

Отметим, что Q₃ пропускает тот же ток, что и Q₂, потому что они включены последовательно, а Q₁, в свою очередь, «отражает» ток Q₂, поэтому левая и правая половины цепи пропускают одинаковые токи. Это подтверждается тем фактом, что Q₃ потребляет свой ток базы из левой половины, тогда как Q₁ получает свой ток базы из правой половины, своего рода компромисс (систематический анализ предсказывает ошибку как у схемы с бета-помощником).

Теперь, если мы попытаемся поднять v_вых, скажем, на 1 В, эффект Эрли приведет к увеличению i_К3 на (1 В)/r_вых. Это вызовет увеличение v_БЭ2 согласно уравнению (2), а это, в свою очередь, вызовет увеличение i_К1 согласно уравнению (1). Став немного более проводящим, Q₁ будет пропускать меньший ток базы в Q₃, заставляя последний проводить немного меньше. Простыми словами, любая попытка поднять i_К3 встречает реакцию, которая имеет тенденцию сводить на нет такую ​​попытку. По сути, это отрицательная обратная связь! (Систематический анализ предсказывает сопротивление Нортона около ßr_вых/2.) Плоскостность кривой i_вых на рисунке 6b подтверждает превосходные характеристики зеркала Уилсона!

Токовые зеркала на работе

Посмотрим на принципиальную схему интегральной микросхемы и определим наличие и назначение токовых зеркал. Например, обращаясь к операционному усилителю 741 на рисунке 7, мы идентифицируем следующие токовые зеркала:

• Трио Q₅-Q₆-Q₇ - это базовое токовое зеркало с бета-помощником. Это токовое зеркало формирует активную нагрузку для дифференциального входного каскада, состоящего из левой половины (Q₁-Q₃) и правой половины (Q₂-Q₄). В идеале эти две половинки должны быть идеально согласованы, но на практике может наблюдаться некоторое несоответствие, приводящее к входному напряжению смещения V_смещ. Эмиттеры Q₅ и Q₆ оснащены резисторами 1 кОм, чтобы создать внешне введенный дисбаланс, равный, но противоположный дисбалансу левой и правой половин, чтобы обнулить V_смещ (процедуру компенсации напряжения смещения V_смещ смотрите на третьем рисунке этой страницы учебника).
• Пара Q₁₀-Q₁₁ является токопринимающим токовым зеркалом Видлара. Ток смещения для Q₁₁, включенного как диод, устанавливается резистором R₅, который на самом деле является компонентом двойного назначения, поскольку он также смещает включенный как диод Q₁₂.
• Базовое токовое зеркало Q₁₂-Q₁₃ предназначено для формирования двух независимых токов, один для обеспечения работы активной нагрузки для усилителя с общим эмиттером Q₁₇, а другой для смещения схемы выходного каскада. Ток, поступающий на эмиттер Q₁₃, управляется отдельно двумя коллекторами Q₁₃ в соотношении, определяемом площадями коллекторов.
• Пара Q₈-Q₉ образует еще одно базовое токовое зеркало, которое в сочетании с токопринимающим токовым зеркалом Видлара Q₁₀-Q₁₁ предназначено для обеспечения постоянного тока смещения для двух половин входного каскада.
• Можете найти другие токовые зеркала? Да, действительно, это пара Q₂₃-Q₂₄. В нормальных условиях работы эти биполярные транзисторы закрыты, потому что закрыт Q₂₁. Однако, если на выходе возникнет состояние перегрузки, Q₂₁ откроется, открывая и Q₂₄. Благодаря зеркальному действию Q₂₃ откроется и примет на себя ток базы Q₁₆, чтобы ограничить мощность, рассеиваемую выходным каскадом.

Теперь давайте посмотрим на усилитель с отрицательной обратной связью по току (CFA, current-feedback amplifier) на рисунке 8.

В этой схеме используется пара токовых зеркал Уилсона, Q₅-Q₆-Q₇ и Q₈-Q₉-Q₁₀, для воспроизведения, соответственно, коллекторных токов Q₁ и Q₂ и обеспечения их разности на выводах общих баз Q₁₃ и Q₁₄. В некотором смысле верхнее токовое зеркало действует как активная нагрузка для нижнего токового зеркала, так же как нижнее токовое зеркало действует как активная нагрузка для верхнего токового зеркала. Кроме того, схема смещения по постоянному току состоит из источников тока I₃ и I₁₃ и приемников тока I₄ и I₁₄, которые для простоты показаны в виде условного обозначения. Но если бы мы взглянули на более подробную схему, мы бы обнаружили, что эти источники и приемники также реализованы в форме токовых зеркал.

Заключение

В данной статье дается краткий обзор работы биполярного транзистора, а затем исследуются четыре типа токовых зеркал биполярных транзистора: базовое токовое зеркало, токовое зеркало с бета-помощником, источник тока Видлара и токовое зеркало Уилсона. В последнем разделе мы увидели несколько примеров того, как токовые зеркала встроены в аналоговые интегральные микросхемы.

Современные токовые зеркала также могут быть реализованы с использованием технологии CMOS. Статья под названием «Базовая схема источника стабилизированного тока на MOSFET транзисторах» – хорошее место для начала, если вы хотите узнать о CMOS-версии токового зеркала.

Теги