что такое токовое зеркало

2.14. Токовые зеркала

От схемы смещения с использованием согласованной пары транзисторов легко перейти к так называемому токовому зеркалу (рис. 2 44). Работа токового зеркала «программируется» путем задания коллекторного тока транзистора Т₁ Напряжение U_бэ для Т₁ устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружаюшей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Т₂, согласованный с транзистором Т₁ (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для Т₁. Небольшими базовыми токами можно пренебречь.

Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен U_кк за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе. Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток I_пр с помощью резистора (рис. 2.45). В связи с тем, что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падение напряжения на которых мало по сравнению с U_кк, резистор 14,4 кОм формирует управляющий, а следовательно, и выходной ток величиной 1 мА. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда: а) под рукой есть много согласованных транзисторов и б) разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений. Существуют даже безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задается с помощью одного внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли. Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т.е. выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора Т₂ напряжение U_бэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией (рис. 2.46). Практически ток может изменяться приблизительно на 25% в диапазоне устойчивой работы схемы, т. е. характеристики такой схемы существенно хуже, чем характеристики рассмотренного выше источника тока с эмиттерным резистором.

Рис. 2.47. Улучшенная схема токового зеркала.

Токовое зеркало Уилсона. На рис. 2.48 представлено еще одно токовое зеркало, обеспечивающее высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы Т₁ и Т₂ включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору Т₃ потенциал коллектора транзистора Т₁ фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания U_кк. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе Т₁, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором Т₂. Транзистор Т₃ не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Т₁. В результате в токозадающих транзисторах Т₁ и Т₂ падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Т₃ можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным (аналогичный прием используют при каскодном включении, которое мы рассмотрим позже). Кстати, транзистор Т₃ не обязательно согласовывать с транзисторами Т₁ и Т₂.

Рис. 2.48. Токовое зеркало Уилсона. Влияние изменений напряжения на нагрузке на выходной ток подавлено за счет каскодного включения транзистора Т₃, которое позволяет уменьшить изменения напряжения транзистора Т₁.

Рис. 2.49. Схема токового зеркала с несколькими выходами. Эта схема широко используется для получения нескольких программируемых источников тока.

На рис. 2.51 представлены два варианта многовыходного токового зеркала. Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляющий ток. При разработке токовых зеркал в интегральных схемах коэффициент отражения тока задают путем выбора размеров (площадей) эмиттерных переходов.

Рис. 2.51. Токовые зеркала, в которых коэффициент отражения тока отличен oт 1 : 1.

Еще один способ получения выходного тока, кратного управляющему, состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора (рис. 2.52). Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса-Молла, разность напряжении U_бэ зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисторов отношение коллекторных токов равно отношению плотностей токов. График на рис. 2.53 позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случае и полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.

Рис. 2.52. Снижение выходного тока с помощью эмиттерного резистора. Отметим, что выходной ток здесь не кратен управляющему.

Рис. 2.53. Зависимость отношения коллекторных токов в согласованных парах транзисторов от разности напряжений база-эмиттер.

Упражнение 2.12. Покажите, что токовое зеркало с неединичным отражением, показанное на рис. 2.52. работает так, как мы описали.

Источник

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:

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.

Рисунок 1 – Использование PSpice для отображения характеристик i_К-v_КЭ биполярного NPN транзистора. При v_КЭ

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:

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).

Рисунок 2 – Использование PSpice для построения графика (а) зависимости i_К от v_БЭ и (b) v_БЭ от i_К

Уравнение, обратное уравнению 1:

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.

Рисунок 3 – (a) Базовое токовое зеркало и (b) его характеристика i_вых в зависимости от v_вых для i_нагр = 1 мА и V_CC = 10 В

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.

Рисунок 4 – Увеличенный вид рисунка 1b, иллюстрирующий последствия эффекта Эрли

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

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

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.

Рисунок 5 – (a) Токовое зеркало с бета-помощником и (b) источник тока Видлара

Источник тока Видлара

В приложениях смещения по постоянному току часто необходимо синтезировать ток i_вых \[v_ <БЭ2>= v_ <БЭ1>— Ri_ <вых>\qquad (5)\]

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

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.

Рисунок 6 – (a) токовое зеркало Уилсона и (b) его характеристика i_вых в зависимости от v_вых для i_вх = 1 мА и V_CC = 10 В

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:

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

Рисунок 8 – Принципиальная электрическая схема усилителя с обратной связью по току (CFA)

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.

Источник

Токовые зеркала (биполярные транзисторы)

Часто используемой схемой на биполярных транзисторах является так называемое токовое зеркало, которые служит в качестве простого стабилизатора тока, обеспечивающего почти неизменный ток через нагрузку в широком диапазоне сопротивлений нагрузки.

Мы знаем, что в транзисторе, работающем в активном режиме, ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент β. Мы также знаем, что отношение тока коллектора к току эмиттера называется коэффициентом α. Поскольку ток коллектора равен току базы, умноженному на β, а ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора, то α может быть математически выведен из β. Если вы упростите несколько формул, то обнаружите, что для любого транзистора α = β/(β+1).

Мы уже видели, как поддержание неизменного тока базы транзистора в активном режиме приводит к стабилизации тока коллектора в соответствии с коэффициентом β. Коэффициент α работает аналогично: если ток эмиттера поддерживается неизменным, ток коллектора будет оставаться на стабилизированном значении, если падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора достаточно, чтобы поддерживать транзистор в активном режиме. Поэтому, если у нас есть способ удерживать постоянным ток эмиттера, то транзистор будет работать, стабилизируя ток коллектора на неизменном значении.

Помните, что переход база-эмиттер биполярного транзистора представляет собой не что иное, как PN переход, подобный диоду, и что «диодное уравнение» показывает величину тока, протекающего через PN переход, с учетом прямого падения напряжения и температуры перехода:

Если напряжение и температуру перехода поддерживаются постоянными, то ток PN перехода будет постоянным. По этой причине, если бы мы удерживали напряжение перехода база-эмиттер транзистора постоянным, то ток эмиттера транзистора будет постоянным при постоянной температуре (рисунок ниже).

Постоянное V_БЭ дает в результате постоянный I_Б, постоянный I_Э и постоянный I_К (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Этот постоянный ток эмиттера, умноженный на постоянный коэффициент α, дает постоянный ток коллектора через R_нагр, если имеется достаточное напряжение батареи, чтобы поддерживать транзистор в активном режиме для любого изменения сопротивления R_нагр.

Для поддержания постоянного напряжения на переходе база-эмиттер транзистора используется диод в режиме прямого смещения, подключенный параллельно переходу база-эмиттер, что устанавливает постоянное напряжение примерно 0,7 вольта.

Переход диода поддерживает постоянное напряжение базы на уровне 0,7 В и постоянный ток базы (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Напряжение, падающее на диоде, вероятно, не будет равно точно 0,7 вольта. Точное значение прямого напряжения, падающего на нем, зависит от тока через диод и температуры диода, всё в соответствии с диодным уравнением. Если ток диода увеличивается (например, с помощью уменьшения R_смещ), падение напряжения на нем будет несколько увеличиваться, увеличивая падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, что пропорционально увеличит ток эмиттера, предполагая, что PN переход диода и переход база-эмиттер транзистора хорошо согласованы друг с другом. Другими словами, в любой момент времени ток эмиттера будет точно равен току диода. Если вы измените ток диода, изменив значение сопротивления R_смещ, то ток эмиттера последует за ним, потому что ток эмиттера описывается тем же уравнением, что и ток диода, а падения напряжений на обоих PN переходах равны.

Помните, что ток коллектора транзистора почти равен току его эмиттера, поскольку отношение α типового транзистора почти равно единице (1). Если мы контролируем ток эмиттера транзистора, регулируя ток через диод простой подстройкой резистора, то мы также контролируем ток коллектора транзистора. Другими словами, ток коллектора повторяет, как зеркало, ток диода.

Таким образом, ток через резистор R_нагр является функцией тока, установленного резистором смещения, причем оба почти равны. Это является назначением данной схемы: стабилизировать ток через резистор нагрузки с помощью удобной подстройки значения R_смещ. Ток через диод описывается простой формулой: напряжение источника питания минус напряжение диода (почти постоянное значение), деленное на сопротивление R_смещ.

Для согласования характеристик двух PN переходов (переход диода и переход база-эмиттер транзистора), вместо обычного диода можно использовать транзистор, как показано на рисунке ниже (a).

Поскольку одним из факторов в «диодном уравнении» является температура, и мы хотим, чтобы два PN перехода вели себя одинаково во всех рабочих условиях, мы должны поддерживать у обоих транзисторов одинаковую температуру. На дискретных компонентах это легко сделать, склеив корпуса двух транзисторов. Если транзисторы производятся сразу в одной кремниевой микросхеме (в виде так называемой интегральной микросхемы, или ИМС), разработчики должны располагать два транзистора близко друг к другу, чтобы облегчить передачу тепла между ними.

Схема токового зеркала на двух NPN транзисторах, показанная на рисунке (a) выше, иногда называют токопринимающим типом, поскольку стабилизирующий транзистор проводит ток к нагрузке от земли («втекающий» ток), а не с положительной клеммы батареи («вытекающий» ток). Если нам нужна нагрузка, соединенная с землей, и схема токовыдающего токового зеркала, то можем использовать PNP транзисторы, как показано на рисунке выше (b).

Хотя в составе микросхемы легче изготовить транзисторы, но в нее могут быть включены и резисторы. Разработчики микросхем избегают некоторых резистором, заменяя резисторы нагрузки на источники тока. Схема, аналогичная операционному усилителю, построенная на дискретных компонентах, будет иметь несколько транзисторов и множество резисторов. Версия на интегральной микросхеме будет иметь множество транзисторов и несколько резисторов. На рисунке ниже одно опорное напряжение (Q1) управляет несколькими токовыми зеркалами: Q2, Q3 и Q4. Если площади у Q2 и Q3 одинаковы, то и токи нагрузок I_нагр будут равны. Если нам нужен 2·I_нагр, то можно соединить параллельно Q2 и Q3. Еще лучше изготовить один транзистор, скажем Q3, с удвоенной площадью Q2. Ток I₃ тогда будет в два раза больше, чем I₂. Другими словами, ток нагрузки пропорционально зависит от площади транзистора.

Обратите внимание на то, что линию подачи напряжения базы принято рисовать прямо через условные обозначения транзисторов нескольких токовых зеркал. Или в случае Q4 на рисунке выше, два источника тока объединены в одно условное обозначение транзистора. Резисторы нагрузки нарисованы почти невидимыми, чтобы подчеркнуть тот факт, что в большинстве случаев они не существуют. Нагрузка часто представляет собой другую (их может быть несколько) транзисторную схему, например пару эмиттеров дифференциального усилителя, например Q3 и Q4 в схеме «Простой операционный усилитель» в главе 8. Часто коллекторная нагрузка транзистора является не резистором, а токовым зеркалом. Например, коллекторная нагрузка коллектора Q4 – это токовое зеркало Q2 (глава 8).

Для примера токового зеркала с несколькими коллекторными выходами смотрите Q13 в модели операционного усилителя 741, глава 8. Выходы токового зеркала Q13 используются вместо резисторов в качестве коллекторных нагрузок для Q15 и Q17. Из примеров мы видим, что в интегральных микросхемах вместо резисторов предпочитают использовать токовые зеркала.

Источник