Токовое зеркало на полевых транзисторах. Токовые зеркала на полевых транзисторах: типы, применение и особенности работы

Что такое токовое зеркало на полевых транзисторах. Какие бывают типы токовых зеркал. Как работают токовые зеркала. Где применяются токовые зеркала. Каковы преимущества и недостатки токовых зеркал на полевых транзисторах.

Что такое токовое зеркало на полевых транзисторах

Токовое зеркало — это электронная схема, которая копирует ток, протекающий через одно активное устройство (например, полевой транзистор), и воспроизводит его в другом аналогичном устройстве. Токовые зеркала на полевых транзисторах широко используются в аналоговых и смешанных интегральных схемах для создания источников тока и активных нагрузок.

Основные характеристики токового зеркала:

• Коэффициент передачи тока — отношение выходного тока к входному
• Выходное сопротивление — определяет стабильность выходного тока при изменении напряжения
• Диапазон рабочих напряжений — минимальное и максимальное напряжение, при котором схема работает корректно

Принцип работы токового зеркала на полевых транзисторах

Работа токового зеркала на полевых транзисторах основана на том, что ток стока полевого транзистора зависит от напряжения затвор-исток. Принцип действия можно описать следующим образом:

1. Входной ток протекает через опорный транзистор, создавая на нем определенное напряжение затвор-исток
2. Это напряжение подается на затвор выходного транзистора
3. При идентичных параметрах транзисторов, ток стока выходного транзистора будет равен входному току

Таким образом, входной ток «отражается» в выходную цепь. Чем лучше согласованы параметры транзисторов, тем точнее копируется ток.

Основные типы токовых зеркал на полевых транзисторах

Существует несколько базовых схем токовых зеркал на полевых транзисторах:

Простое токовое зеркало

Простейшее токовое зеркало состоит из двух идентичных полевых транзисторов. Один транзистор используется как опорный, а второй — как выходной. Такая схема обеспечивает коэффициент передачи тока близкий к единице.

Токовое зеркало с улучшенным выходным сопротивлением

Для повышения выходного сопротивления используются каскодные схемы с дополнительными транзисторами. Это позволяет уменьшить влияние напряжения на выходной ток.

Токовое зеркало с произвольным коэффициентом передачи

Изменяя отношение ширины канала транзисторов, можно получить токовое зеркало с любым требуемым коэффициентом передачи тока. Это позволяет масштабировать входной ток.

Применение токовых зеркал на полевых транзисторах

Токовые зеркала на полевых транзисторах широко используются в аналоговых и смешанных интегральных схемах для следующих целей:

• Создание источников опорного тока
• Формирование активных нагрузок в усилительных каскадах
• Реализация токовых сумматоров и вычитателей
• Построение дифференциальных каскадов
• Организация схем смещения

Особенно эффективно применение токовых зеркал в интегральных схемах, где можно обеспечить хорошее согласование параметров транзисторов.

Преимущества токовых зеркал на полевых транзисторах

Токовые зеркала на полевых транзисторах обладают рядом преимуществ по сравнению с другими схемами:

• Простота реализации — требуется минимум элементов
• Высокое выходное сопротивление
• Низкое входное сопротивление
• Хорошая температурная стабильность
• Возможность работы при низких напряжениях питания

Эти преимущества делают токовые зеркала на полевых транзисторах незаменимыми при проектировании аналоговых интегральных схем.

Недостатки токовых зеркал на полевых транзисторах

Основные недостатки токовых зеркал на полевых транзисторах:

• Зависимость от разброса параметров транзисторов
• Ограниченный диапазон линейной работы
• Чувствительность к изменениям температуры и напряжения питания
• Внесение дополнительных шумов

Для минимизации этих недостатков применяются различные методы, такие как использование каскодных схем, введение обратной связи, применение специальных топологий интегральных схем.

Особенности проектирования токовых зеркал на полевых транзисторах

При разработке токовых зеркал на полевых транзисторах необходимо учитывать следующие факторы:

• Выбор оптимальной топологии расположения транзисторов для улучшения их согласования
• Учет паразитных емкостей, которые могут влиять на работу схемы на высоких частотах
• Обеспечение достаточного запаса по напряжению для нормальной работы транзисторов
• Минимизация влияния эффекта модуляции длины канала
• Компенсация температурной зависимости порогового напряжения транзисторов

Правильный учет этих факторов позволяет создавать высококачественные токовые зеркала для различных применений.

Сравнение токовых зеркал на полевых и биполярных транзисторах

Токовые зеркала можно реализовать как на полевых, так и на биполярных транзисторах. Каждый вариант имеет свои особенности:

Параметр	Полевые транзисторы	Биполярные транзисторы
Входное сопротивление	Очень высокое	Низкое
Выходное сопротивление	Высокое	Среднее
Рабочий диапазон токов	Широкий	Ограниченный
Температурная зависимость	Низкая	Высокая
Точность копирования тока	Средняя	Высокая

Выбор типа транзисторов зависит от конкретного применения и требований к схеме.

Перспективы развития токовых зеркал на полевых транзисторах

Развитие технологий производства интегральных схем открывает новые возможности для совершенствования токовых зеркал на полевых транзисторах:

• Улучшение согласования параметров транзисторов за счет новых технологических процессов
• Снижение рабочих напряжений и потребляемой мощности
• Повышение рабочих частот
• Интеграция с цифровыми схемами для создания программируемых источников тока
• Применение новых материалов для улучшения характеристик транзисторов

Эти тенденции позволят создавать еще более эффективные и универсальные токовые зеркала для широкого спектра применений.

3. Источник тока и токовое зеркало

В современной схемотехнике, особенно в интегральном исполнении, в качестве нагрузок широко используют источники тока или, как их ещё называют, генераторы стабильного тока (ГСТ). Для получения активных источников тока в качестве динамической нагрузки чаще всего используют отражатели тока (ОТ) -токовое зеркало.

Простейший генератор тока представлен на рис.46. Ток нагрузки равен:

I_н-(U_ст-U_бэ)/R2

Выходное сопротивление такого источника равно выходному со противлению каскада с общим эмиттером. Недостаток такого источника — в относительно низком выходном сопротивлении и наличии эффекта модуляции h_2lэ под действием U_к из-за изменения нагрузки.

Усовершенствованные в этом отношении генераторы тока показаны на рис.47 и 48. В первом случае — за счёт применения каскада, во-втором — усовершенствованного составного транзистора (рис.4) («Азбука…», ч.1).

Однако наиболее простые двуполярные генераторы тока можно получить с применением полевых транзисторов (рис. 49 и 50).

Характерная особенность ГСТ (рис.51) — отсутствие стабилитрона как источника опорного напряжения. Выходной ток рассчитывают по формуле:

I_н=0.66/R2

При токах нагрузки свыше 3 мА в качестве VT2 следует применять составной транзистор. Основной недостаток такого ГСТ — низкая температурная стабильность.

Двуполярный ГСТ (рис.52) получен в результате встречного включения двух зеркальных ГСТ (рис.51).

Простейший отражатель тока (ОТ) показан на рис.53. Выходное сопротивление R_вых=r_Кэ, а выходной ток I_н=I_on*h_21э/(h_21э+2) при условии равенства параметров транзисторов. Введение в эмиттеры транзисторов резисторов 1…2кОм практически сводит на нет эффект Эрли (изменение коллекторного тока до — 25% в зависимости от изменения напряжения на коллекторе).

В результате замены резистора R2 в схеме (рис.51) на транзистор VT3 получим токовое зеркало Уилсона (рис.54). Опорный ток I_оп=const, т. к. I_б2 вычитается, а I_б1 вновь добавляется. Динамическое выходное сопротивление такого ОТ значительно выше: R_вых=I_21э*r_кэ, отклонения тока значительно меньше и имеют величину 1/h_21э². Меньше и критичность к разбросу параметров ЭРЭ.

На рис.55 показан каскадный отражатель тока. Динамическое внутреннее сопротивление такого ОТ больше нескольких МОм, эффект Эрли значительно ослаблен.

Прецизионный отражатель тока (рис.56) [5] имеет повышенную точность за счёт добавления базового тока транзистора VT3 (равного базовому току VT2) к выходному току транзистора VT4.

Отражатель тока на несколько нагрузок сразу показан на рис.57. Эта схема требует высокой идентичности транзисторов VT1, VT3, VT4…VTn. Недостаток такого ОТ — сравнительно малое выходное сопротивление источников тока.

Встречное включение двух отражателей тока (рис.53) [6,7] даёт двуполярный преобразователь напряжение-ток (ПНТ) (рис.58).

1.

Простейший генератор тока.

Ток нагрузки равен: I_н-(U_ст-U_бэ)/R2. Выходное сопротивление такого источника равно выходному сопротивлению каскада с общим эмиттером. Недостаток — относительно низкое выходное сопротивление и наличие эффекта модуляции h_21э под действием U_к из-за изменения нагрузки.

Рис. 46.

2. Усовершенствованные генераторы тока.

С каскодным включением.

С усовершенствованным составным транзистором.

Рис. 47, 48.

3. Простые двуполюсные генераторы тока на ПТ.

Рис. 49, 50.

4. ГСТ без стабилитрона.

Выходной ток равен: I_н=0.66/R2; При токах нагрузки более 3 мА в качестве VT2 нужно применять составной транзистор. Недостаток — низкая температурная стабильность.

Рис. 51.

5. Двуполюсный ГСТ.

Рис. 52.

6. Простейший отражатель тока.

Выходное сопротивление Rвых=Rкэ, выходной ток I_н=I_on*h_21э/(h_21э+2) при условии равенства параметров транзисторов. Введение в эмиттеры транзисторов резисторов 1..2 к практически подавляет эффект Эрли (изменение коллекторного тока — 25% в зависимости от изменения напряжения на коллекторе).

Рис. 53.

7. Токовое зеркало Уилсона.

Опорный ток I_оп=const , т.к. I_б2 вычитается, а I_б1 вновь добавляется. Динамическое выходное сопротивление такого отражателя тока значительно выше: R_вых=r_Кэ, отклонения тока значительно меньше и имеют величину 1/h_21э². Меньше и критичность к разбросу параметров радиоэлементов.

Рис. 54.

8. Каскодный отражатель тока.

Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает несколько МОм, эффект Эрли значительно ослаблен.

Рис. 55.

9. Прецизионный отражатель тока.

Имеет повышенную точность за счёт добавления базового тока транзистора VT3 (равного базовому току VT2) к выходному току транзистора VT4.

Рис. 56.

10. Отражатель тока на несколько нагрузок.

Эта схема требует высокой идентичности VT1, VT3, VT4…VTn. Недостаток — такого отражателя тока — сравнительно малое выходное сопротивление источников тока.

Рис. 57.

11. Преобразователь напряжение — ток.

Рис. 58.

PREV

CONTENTS

NEXT

Искусство схемотехники, Т.1

Искусство схемотехники, Т.1

Хоровиц П., Хил л .У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с англ. — 4-е изд., перераб. и доп.-М.: Мир, 1993. Широко известная читателю по предыдущим изданиям монография известных американских специалистов посвящена быстро развивающимся областям электроники. В ней приведены наиболее интересные технические решения, а также анализируются ошибки разработчиков аппаратуры: внимание читателя сосредоточивается на тонких аспектах проектирования и применения электронных схем. Для специалистов в области электроники, автоматики, вычислительной техники, а также студентов соответствующих специальностей вузов и техникумов. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК И СОПРОТИВЛЕНИЕ 1.01. Напряжение и ток 1.02. Взаимосвязь напряжения и тока: резисторы ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗИСТОРЫ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ ФИРМЫ ALLEN BRADLEY, (СЕРИЯ АВ, ТИП СВ) 1.03. Делители напряжения 1.04. Источники тока и напряжения 1.05. Теорема об эквивалентном преобразовании источников (генераторов) УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 1.06. Динамическое сопротивление СИГНАЛЫ 1.07. Синусоидальные сигналы 1.08. Измерение амплитуды сигналов 1.09. Другие типы сигналов 1.10. Логические уровни 1.11. Источники сигналов КОНДЕНСАТОРЫ И ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 1. 12. Конденсаторы КОНДЕНСАТОРЫ 1.13. RС-цепи: изменения во времени напряжения и тока 1.14. Дифференцирующие цепи 1.15. Интегрирующие цепи ИНДУКТИВНОСТИ и ТРАНСФОРМАТОРЫ 1.16. Индуктивности 1.17. Трансформаторы ПОЛНОЕ И РЕАКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ 1.18. Частотный анализ реактивных схем 1.19. RC-фильтры 1.20. Векторные диаграммы 1.21. «Полюсы» и наклон в пределах октавы 1.22. Резонансные схемы и активные фильтры 1.23. Другие примеры использования конденсаторов 1.24. Обобщенная теорема Тевенина об эквивалентном преобразовании (эквивалентном генераторе) ДИОДЫ И ДИОДНЫЕ СХЕМЫ 1.25. Диоды 1.26. Выпрямление 1.27. Фильтрация в источниках питания 1.28. Схемы выпрямителей для источников питания 1.29. Стабилизаторы напряжения 1.30. Примеры использования диодов 1.31. Индуктивные нагрузки и диодная защита ДРУГИЕ ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 1.32. Электромеханические элементы 1.33. Индикаторы 1.34. Переменные компоненты ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ 2.01. Первая модель транзистора: усилитель тока НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ 2.02. Транзисторный переключатель 2.03. Эмиттерный повторитель 2.04. Использование эмиттерных повторителей в качестве стабилизаторов напряжения 2.05. Смещение в эмиттерном повторителе 2.06. Транзисторный источник тока 2.07. Усилитель с общим эмиттером 2.08. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом усиления 2.09. Крутизна МОДЕЛЬ ЭБЕРСА-МОЛЛА ДЛЯ ОСНОВНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ 2.10. Улучшенная модель транзистора: усилитель с передаточной проводимостью (крутизной) 2.11. Еще раз об эмиттерном повторителе 2.13. Еще раз об усилителе с общим эмиттером 2.13. Смещение в усилителе с общим эмиттером 2.14. Токовые зеркала НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ 2.15. Двухтактные выходные каскады 2.16. Составной транзистор (схема Дарлингтона) 2.17. Следящая связь 2.18. Дифференциальные усилители 2.19. Емкость и эффект Миллера 2. 20. Полевые транзисторы НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ 2.21. Стабилизированный источник напряжения 2.22. Терморегулятор 2.23. Простая логическая схема на транзисторах и диодах СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 2.24. Удачные схемы 2.25. Негодные схемы ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 3.01. Характеристики полевых транзисторов 3.02. Типы ПТ 3.03. Общая классификация ПТ 3.04. Выходные характеристики ПТ 3.05. Производственный разброс характеристик ПТ ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ПТ 3.06. Источники тока на ПТ с р-n-переходом 3.07. Усилители на ПТ 3.08. Истоковые повторители 3.09. Ток затвора ПТ 3.10. ПТ в качестве переменных резисторов КЛЮЧИ НА ПТ 3.11. Аналоговые ключи на ПТ 3.12. Недостатки ПТ-ключей 3.13. Несколько схем на ПТ-ключах 3.14. Логические и мощные ключи на МОП-транзисторах 3.15. Необходимые предосторожности в обращении с МОП-транзисторами СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ГЛАВА 4. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ 4.01. Предварительные сведения об обратной связи 4.02. Операционные усилители 4.03. Важнейшие правила ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 4.04. Инвертирующий усилитель 4.05. Неинвертирующий усилитель 4.06. Повторитель 4.07. Источники тока 4.08. Основные предостережения по работе с ОУ КАЛЕЙДОСКОП СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ 4.09. Линейные схемы 4.10. Нелинейные схемы ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 4.11. Отличие характеристик идеального ОУ от реального 4.12. Эффекты ограничений ОУ на работу схем на их основе 4.13. Микромощные и программируемые ОУ ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ НЕКОТОРЫХ СХЕМ НА ОУ 4.14. Логарифмический усилитель 4.15. Активный пиковый детектор 4.16. Выборка-запоминание ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ 4.17. Активный ограничитель 4.18. Схема выделения модуля абсолютного значения сигнала 4.19. Интеграторы 4.20. Дифференциаторы РАБОТА ОУ С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ 4. 21. Смещение усилителей переменного тока, использующих один источник питания. 4.22. Операционные усилители с одним источником питания. КОМПАРАТОРЫ И ТРИГГЕР ШМИТТА 4.23. Компараторы 4.24. Триггер Шмитта ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И УСИЛИТЕЛИ С КОНЕЧНЫМ УСИЛЕНИЕМ 4.25. Уравнение для коэффициента усиления 4.26. Влияние обратной связи на работу усилителей 4.27. Два примера транзисторных усилителей с обратной связью НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ СХЕМЫ С ОПЕРАЦИОННЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ 4.28. Лабораторный усилитель общего назначения 4.29. Генератор, управляемый напряжением 4.30. Линейный переключатель на полевом транзисторе с p-n-переходом, с компенсацией. 4.31. Детектор нуля для ТТЛ-схем 4.32. Схема измерения тока в нагрузке ЧАСТОТНАЯ КОРРЕКЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 4.33. Зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига от частоты 4.34. Методы коррекции усилителей 4.35. Частотная характеристика цепи обратной связи СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 4. 36. Некоторые полезные идеи ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 5. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ 5.01. Частотная характеристика RC-фильтров 5.02. Идеальный рабочий режим LC-фильтров 5.03. Введение в активные фильтры: обзор 5.04. Критерии режима работы фильтра Ки 5.05. Типы фильтров СХЕМЫ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ 5.06. Схемы на ИНУН 5.07. Проектирование фильтров на ИНУН с использованием наших упрощенных таблиц 5.08. Фильтры, построенные на основе метода переменных состояния 5.09. Двойной Т-образный фильтр-пробка 5.10. Построение фильтров на гираторах 5.11. Фильтры на переключаемых конденсаторах ГЕНЕРАТОРЫ 5.13. Релаксационные генераторы 5.14. Классическая ИС таймера-555 5.15. Генераторы, управляемые напряжением 5.16. Квадратные генераторы 5.17. Мостовые генераторы Вина и L С-генераторы 5.18. LС-генераторы 5.19. Генераторы с кварцевыми резонаторами СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 6. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ БАЗОВЫЕ СХЕМЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ИМС 723 6.01. ИМС стабилизатора 723 6.02. Стабилизатор положительного напряжения 6.03. Стабилизаторы с большими выходными токами ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛООТВОДА МОЩНЫХ СХЕМ 6.04. Мощные транзисторы и отвод тепла 6.05. Ограничители тока с обратным наклоном характеристики 6.06. Защита от больших напряжений 6.07. Специальные вопросы проектирования сильноточных источников питания 6.08. Программируемые источники питания 6.09. Пример схемы источника питания 6.10. Другие ИМС стабилизатора НЕСТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 6.11. Компоненты линии переменного тока 6.12. Трансформаторы 6.13 Элементы схемы, работающие на постоянном токе ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 6.14. Стабилитроны 6.15. Источник опорного напряжения на стабилитроне ТРЕХВЫВОДНЫЕ И ЧЕТЫРЕХВЫВОДНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ 6.16. Трехвыводные стабилизаторы 6.17. Трехвыводные регулируемые стабилизаторы 6.18. Дополнительные замечания относительно трехвыводных стабилизаторов 6.19. Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 6.20. Высоковольтные стабилизаторы 6.21. Источники питания с малым уровнем помех и малым дрейфом 6.22. Микромощные стабилизаторы 6.23. Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами (зарядовый насос) 6.24. Источники стабилизированного постоянного тока 6.25. Коммерческие модули источников питания СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

Как вы используете текущее зеркало?

Токовые зеркала являются обычными схемами, но в основном невидимы, за исключением разработчиков аналоговых или смешанных интегральных схем, которые могут использовать большое количество токовых зеркал на одном кристалле. Токовое зеркало копирует ток через одно активное устройство (например, BJT или MOSFET), контролируя ток в другом активном устройстве. Если входной ток постоянен, «копируемый» ток также постоянен, независимо от нагрузки. В некоторых случаях входной ток может быть переменным сигналом, и в этом случае «скопированный» ток имеет такие же переменные характеристики.

В этом разделе часто задаваемых вопросов рассматриваются несколько распространенных текущих топологий зеркал и места их использования.

Токовые зеркала имеют высокий выходной импеданс, помогающий поддерживать постоянный выходной ток независимо от нагрузки, и низкий входной импеданс, чтобы поддерживать постоянный входной ток независимо от привода. Они могут быть реализованы как инвертирующий усилитель тока или как источник тока, управляемый током (CCCS). Характеристики основного токового зеркала включают:

• Величина выходного тока для источников тока
• Коэффициент передачи для усилителей тока.
• Выходное сопротивление переменному току определяет степень изменения выходного тока в зависимости от изменения напряжения.
• Диапазон напряжения соответствия начинается с минимального падения напряжения на токовом выходе зеркала, обеспечивающего правильную работу (напряжение соответствия), и заканчивается при максимальном напряжении, при котором зеркало выходит за пределы спецификации.

Работа текущего зеркала может быть чувствительна к изменениям напряжения смещения, изменениям температуры, а также согласованию транзисторов, компоновке и другим факторам.

Токовые зеркала в основном используются в усилителях смещения в интегральных схемах. Одна микросхема может включать в себя большое количество усилителей, и смещение всех усилителей на один и тот же уровень может оказаться сложной задачей. Чтобы преодолеть эту проблему, в ИС реализован один стабильный источник тока, и несколько копий стабильного источника генерируются с использованием современных методов зеркалирования.

Простое токовое зеркало BJT

В базовом токовом зеркале BJT входной транзистор работает как экспоненциальный преобразователь напряжения в ток, когда напряжение, приложенное к переходу база-эмиттер BJT, действует как входная величина, а коллектор ток используется как выходная величина. Соединение базы и коллектора приводит к отрицательной обратной связи, а транзистор действует как противоположный преобразователь напряжения в ток. Он управляет выходным напряжением база-эмиттер для прохождения тока коллектора. Простое токовое зеркало, состоящее из двух транзисторных каскадов, действующих как обратный и прямой преобразователи напряжения в ток, соответственно, реализует этот подход (Рисунок 1) . Эмиттер Q1 подключен к земле, а напряжение коллектор-база равно нулю. Падение напряжения на Q1 составляет V _BE, и Q1 устанавливает V _BE для Q2. Если транзисторы согласованы и выбрано выходное напряжение зеркала, так что Q2 имеет нулевое напряжение коллектор-база, тогда V _BE Q1 приводит к тому, что ток эмиттера в Q2 становится таким же, как ток эмиттера в Q1.

Рис. 1. Базовое токовое зеркало состоит из двух транзисторных каскадов, работающих как обратный и прямой преобразователи напряжения в ток соответственно. (Изображение: Википедия)

При использовании согласованных транзисторов отношение входного тока к выходному току (усиление) равно единице, а токи равны. Бывают случаи, когда желателен коэффициент усиления, отличный от единицы. При изготовлении токовых зеркал в ИС можно управлять характеристиками транзистора так, как это необходимо для получения определенного коэффициента усиления. Но даже в этих случаях проще использовать согласованные транзисторы и модифицировать схему токового зеркала, чтобы получить усиление, отличное от единицы. Произвольный коэффициент усиления может быть достигнут за счет использования различного количества согласованных транзисторов на входе и выходе. Например, если на входе имеется N согласованных транзисторов, а на выходе M согласованных транзисторов, коэффициент усиления токового зеркала будет M/N. Например, в токовом зеркале с двумя согласованными транзисторами на входе и тремя на выходе коэффициент усиления зеркала будет 3/2, или 1,5·9.0031 (Рисунок 2) . Все пять транзисторов имеют одинаковые V _BE, и их коллекторные токи I _C будут равны.

Рис. 2. Использование разного количества транзисторов на входе и выходе токового зеркала позволяет получить коэффициент усиления, отличный от единицы. (Изображение: Analog Devices)

Токовое зеркало Уилсона

Токовое зеркало Уилсона представляет собой улучшенную конфигурацию, которая обеспечивает более постоянный источник или сток тока и гораздо более точное усиление входного и выходного тока. Токовое зеркало Вильсона может быть реализовано в виде базовой трехтранзисторной конфигурации или улучшенной четырехтранзисторной конфигурации 9.0031 (рис. 3). Оба верны, текущие зеркала, и отраженный выходной ток является точной копией входного тока. Четвертый транзистор в улучшенной конфигурации снижает коллекторное напряжение Q ₁ на V _BE Q ₄ , выравнивая коллекторные напряжения Q ₁ и Q ₂ . Форсирование коллекторных напряжений Q ₁ и Q ₂ компенсирует падение производительности при больших токах на входной и выходной ветвях. Эта симметрия расширяет линейный рабочий диапазон зеркала. Кроме того, выравнивание коллекторных напряжений выравнивает рассеиваемую мощность на двух транзисторах, уменьшая рассогласование потенциалов из-за воздействия температуры на V _БЭ .

Рисунок 3: Базовое текущее зеркало Вильсона (слева) и улучшенное текущее зеркало Вильсона (справа). (Изображение: Analog Devices)

Основное усовершенствование токового зеркала Уилсона заключается в уменьшении зависимости от бета-значений транзисторов, что делает его менее зависимым от использования точно согласованных транзисторов. Еще одно преимущество токовых зеркал Уилсона и улучшенных токовых зеркал Уилсона заключается в том, что они имеют более высокий выходной импеданс, что повышает эффективность токового зеркала.

Токовые зеркала с полевыми транзисторами

Токовые зеркала также могут быть реализованы с помощью полевых МОП-транзисторов. Например, в базовом токовом зеркале два МОП-транзистора (M ₁ и M ₂ ) работают в режиме насыщения или в активном режиме, а I _OUT напрямую связан с I _REF (рис. 4) . Это зеркало работает на основе того факта, что ток стока МОП-транзистора (I _D ) является функцией напряжений сток-исток и сток-затвор, V _DS и V _DG соответственно. Для М ₁ , I _D = I _REF . При V _DG = 0 для M ₁ , I _REF определяет значение V _GS . Оба полевых МОП-транзистора имеют одинаковый V _{GS; поэтому}  V _OUT равно I _REF , когда V _DG для M ₂ = 0. Конечно, все это зависит от согласования МОП-транзисторов с одинаковыми размерами канала, пороговым напряжением и т. д., в результате они имеют ту же функцию I _D по отношению к V _DG и V _GS .

Рис. 4. Базовое двухтранзисторное токовое зеркало может быть реализовано как на МОП-транзисторах, так и на биполярных транзисторах. (Изображение: Википедия)

Преимущества и ограничения

В дополнение к базовым конфигурациям, рассмотренным выше, токовые зеркала могут быть реализованы с каскодными структурами, используя внутренний усилитель ошибки в токовом зеркале с усилением или обратной связью для улучшенная каскодная структура, эмиттерные повторители для уменьшения рассогласования с базовым током и использование вырождения резистора для увеличения выходного импеданса и уменьшения статической ошибки. Источник тока Видлара представляет собой базовое двухтранзисторное токовое зеркало, в котором к эмиттеру выходного транзистора добавлен дегенерирующий резистор, что позволяет источнику тока генерировать малые токи, используя резисторы только с умеренными значениями. Общие ограничения большинства современных зеркал включают:

• Они могут добавить шума. Добавление больших эмиттерных резисторов может снизить шум до приемлемого уровня.
• Они могут добавить искажения. К сожалению, использование эмиттерных резисторов может усугубить это состояние, если V _BE транзисторов плохо согласованы. Дополнительные искажения можно уменьшить, используя эмиттерные резисторы, намного превышающие динамическое сопротивление эмиттера транзисторов, или используя очень точно согласованные транзисторы.

Особые преимущества токового зеркала Wilson:

• Не используются резисторы большой площади и не требуются дополнительные напряжения смещения
• Низкая статическая ошибка. Небольшие и случайные несоответствия устройств в основном вызывают ошибку входного/выходного тока.
• Усовершенствованное токовое зеркало Уилсона имеет расширенную линейность и может работать при более высоких токах.

Недостатки токового зеркала Wilson:

• Минимальные напряжения от общей шины до входа или выхода, необходимые для правильной работы, выше, чем в базовом двухтранзисторном токовом зеркале, что уменьшает запас для генерации входного тока и ограничивает выходное соответствие.
• Обратная связь повышает выходной импеданс и способствует шуму колебаний тока коллектора на выходе.
• Все три транзистора могут добавлять шум к выходу.
• Невозможно создать несколько источников тока с помощью токового зеркала Вильсона из одного входного эталонного тока.

Резюме

Текущие зеркала — обычные, но в основном скрытые схемы. Они важны при проектировании смешанных сигналов и аналоговых интегральных схем и могут быть рассчитаны на отношение входного тока к выходному току 1:1 или произвольное соотношение по мере необходимости. Токовые зеркала также могут быть спроектированы так, чтобы обеспечивать несколько источников тока от одного входного опорного источника. Базовая двухтранзисторная топология может быть изменена для улучшения различных показателей производительности. Токовое зеркало Уилсона — это самый простой способ повысить производительность текущего зеркала. Однако его нельзя использовать для обеспечения нескольких токовых зеркальных выходов.

Ссылки

Current Mirror, Wikipedia
Низковольтные Wilson Current Mirrors in CMOS, Orlin College
Current Mirror, Analog Devices

 

Current Mirror Circuit Designs with BJT и MOSFET

1

широко популярный метод проектирования монолитных ИС. В этом методе схема разработана таким образом, что она копирует ток через одно активное устройство на другое активное устройство с функцией управления током. При этом ток, протекающий через одно устройство, может быть скопирован в другое устройство, но в инвертирующей форме.

Если ток первого устройства изменится, зеркальный токовый выход другого устройства также изменится. Таким образом, контролируя ток в одном устройстве, можно также контролировать ток в другом устройстве. Таким образом, схема текущего зеркала часто упоминается как Источник тока с регулируемым током или CCCS .

 

Характеристика и зависимость схемы токового зеркала

Цепь токового зеркала имеет множество первичных и вторичных зависимостей, и это основная проблема при характеристике схемы токового зеркала.

Правильную схему токового зеркала можно охарактеризовать с помощью трех характеристик.

 

1. Коэффициент передачи тока

Схема отражения тока, зеркальное отражение или копирование входного тока одного активного устройства на выход другого активного устройства. Схема идеального токового зеркала представляет собой идеальный усилитель тока с инвертирующей конфигурацией, которая может изменить направление тока. Поэтому для идеального усилителя тока важным параметром является коэффициент передачи тока.

 

2. Выходное сопротивление переменному току

Сопротивление зависит от напряжения и тока по закону Ома. Таким образом, выходное сопротивление переменному току играет важную роль в стабильности выходного тока по отношению к изменениям напряжения.

 

3. Падение напряжения

Правильно работающая схема зеркала имеет низкое падение напряжения на выходе. Диапазон напряжения, в котором может работать схема токового зеркала, называется диапазоном соответствия , а минимальное и максимальное поддерживаемое напряжение в этом диапазоне соответствия называется 9.0031 соответствие напряжения . Минимальное напряжение требуется для поддержания транзистора в активном режиме, поэтому минимальное напряжение зависит от технических характеристик транзистора.

 

Ограничения в схемах зеркала реального тока

Идеальная схема и реальная схема — это две совершенно разные схемы. В реальном мире нет ничего идеального или идеального. Однако, прежде чем понять ограничения схем токовых зеркал в отношении реальных приложений, необходимо понять источник напряжения и тока, а также их идеальное и фактическое поведение.

 

Источник напряжения — это устройство, способное подавать фиксированное и стабильное напряжение на нагрузку. В идеальной терминологии источник напряжения будет постоянно обеспечивать фиксированное напряжение, не завися от тока нагрузки . Таким образом, мы можем подключить любое сопротивление нагрузки к идеальному источнику напряжения и каждый раз получать стабильное и фиксированное напряжение. Это не относится к реальному источнику напряжения. В реальном мире источники напряжения, такие как батареи, блоки питания и т. д., не могут обеспечить неограниченный или бесконечный ток для нагрузок.

 

То же, что и идеальный источник напряжения, независимо от напряжения на клеммах, которое источник тока может подавать или принимать токи. Но в реальном мире напряжение также влияет на процесс подачи постоянного тока.

 

В случае цепей токовых зеркал источники напряжения и тока идеальны. Но в реальном сценарии у них есть шумы, толерантность, пульсации, поэтому выходное напряжение меняется. Все это влияет на текущий выход зеркала.

 

Не только это, но и теоретически в схемах идеального токового зеркала импеданс переменного тока считается бесконечным, но это не так в реальном сценарии. Текущая зеркальная схема в практическом мире имеет конечный импеданс, который влияет на процесс подачи тока. Также реализация схемы создает паразитную емкость, что приводит к ограничению частоты .

 

Схема токового зеркала с использованием BJT

Биполярные переходные транзисторы широко используются для отражения тока. Первый прием использования биполярного транзистора в качестве токового зеркала состоит в том, чтобы сконструировать экспоненциальный преобразователь напряжения в ток с использованием транзистора. Это делается путем подачи напряжения на переход база-эмиттер биполярного транзистора, а ток коллектора принимается в качестве выходного сигнала. В этой конфигурации преобразователя напряжения в ток простая отрицательная обратная связь на транзисторе преобразует свойства преобразователя напряжения в ток в противоположный логарифмический преобразователь тока в напряжение. Как правило, отрицательная обратная связь осуществляется путем соединения базы и коллектора транзистора.

 

Рассмотрим приведенное выше изображение . Прежде чем понять, как работает схема, важно понять рабочие характеристики транзистора. В активном режиме ток коллектора транзистора можно рассчитать, умножив ток базы на коэффициент β. Отношение между током эмиттера и током коллектора называется ɑ. Отношение между этими двумя можно описать с помощью простой математической формулы

.
  ɑ = β/(β+1)  

 

Следовательно, постоянное напряжение база-эмиттер обеспечивает постоянный ток эмиттера. Этот постоянный ток эмиттера, который можно умножить на постоянное отношение ɑ, дополнительно дает постоянный ток коллектора.

 

На предыдущем изображении диод со смещением в прямом направлении используется параллельно переходу база-эмиттер, который обеспечивает постоянное напряжение на транзисторе. Напряжение на базе-эмиттере постоянно и зависит от тока, протекающего через диод. Однако ток диода можно регулировать с помощью резистора смещения. Если ток через диод уменьшить за счет увеличения значения сопротивления смещения, падение напряжения на диоде также уменьшится. Из-за уменьшения напряжения перехода база-эмиттер ток эмиттера также уменьшится в той же пропорции. Необходимо помнить одну вещь: ɑ и β транзистора постоянны.

 

Путем изменения тока диода можно управлять током эмиттера транзистора . Тем самым в той же пропорции может изменяться и коллекторный ток транзистора. По этому правилу эмиттерный ток транзистора можно измерить через коллектор транзистора. Таким образом, резистор смещения может управлять коллекторным током транзистора.

 

Этот диод можно легко заменить, используя такой же транзистор, как и другой аналог.

 

На изображении ниже показаны два транзистора, которые используются для создания схемы отражения тока. Транзисторы Т1 и Т2 должны быть одинаковыми. Кроме того, два транзистора должны быть расположены близко друг к другу для равной теплопередачи.

 

Если мы внимательно посмотрим на схему, то увидим, что база-эмиттер двух транзисторов T1 и T2 параллельны друг другу. Следовательно, два транзистора имеют одинаковый ток. Таким образом, лучший способ определить выходной ток — сложить ток узла, где I _REF течет.

 

По закону Кирхгофа ток на коллекторе Т1 равен –

  I  REF  = I  C  + I  B1  + I  B2   

 

Следовательно, когда оба транзистора работают при нулевом смещении база-коллектор, токи базы равны,

83 Базовый ток T1 (I _B1 ) = Базовый ток T2 (I _B2 ) = Общий базовый ток узла (I _B )

 

 

Конечное выходное сопротивление выходного транзистора можно рассчитать по следующей формуле:

  R  OUT   = V  A   + V  CE   / I  C   As per the R =V / I   

 

The compliance voltage , where the V _DG = 0  and текущее поведение зеркала все еще работает при самом низком выходном напряжении, можно рассчитать следующим образом:

V _CV = V _T ln ((I _C / I _S ) +1)) Где V _T представляет собой тепловое напряжение, а I _T представляет собой шкалу.

 

Метод токового зеркала с использованием МОП-транзистора

Схема токового зеркала может быть легко реализована с использованием двух МОП-транзисторов. Работа схемы токового зеркала MOSFET аналогична описанной в предыдущем разделе о транзисторах.

Рассмотрим вышеприведенную схему токового зеркала с использованием МОП-транзистора . МОП-транзистор M1 находится в области насыщения, поскольку V _DS ≤ V _GS . В случае MOSFET M2 он также будет оставаться в режиме насыщения до тех пор, пока выходное напряжение больше, чем напряжение насыщения. Следовательно, входной ток на M1 будет напрямую управлять выходным током M2.

 

МОП-транзистор функционирует следующим образом, ток стока отражает функцию напряжения затвор-исток и сток-затвор.

 

Итак, формулу можно записать с помощью следующей функции:

  I  D  = f (V  GS  , V  DG  )  

 

Благодаря этому входной ток в MOSFET M1 зеркально отражается по отношению к току стока. На изображении входной ток обеспечивается резистором смещения.

 

Если напряжение сток-затвор V _DG равно 0 для MOSFET M1, ток стока M1 будет равен

  я  D  = f (V  GS  , V  DG  =0)  

 

Следовательно, f (V _GS , 0) = I _IN 3, I 90 устанавливает значение 7 IN 90 _ГС. . То же самое напряжение от затвора к истоку отражается на M2. Так, если М2 смещен с помощью нуля

В _ДГ и обеспечен транзисторами М ₁ и М ₂ , имеющими одинаковые свойства и точное согласование, то

I _ВЫХ = f (V _GS , V _DG =0) верно.

 

Таким образом, выходной ток отражается как входной ток, I _OUT = I _IN

   

Напряжение сток-исток может быть введено как 3 0 В пост. _ДГ + В _ГС . С этим переходом модель Шичмана-Ходжеса может дать приблизительный ответ f(V _GS ,V _DG ):

Функция может быть выражена как

 

Кроме того, выходное сопротивление также можно рассчитать, поскольку выходное сопротивление конечно,

и Длина, а λ используется для константы модуляции длины канала.

V _GS , V _th и V _DS представляют собой напряжение затвор-исток, пороговое напряжение и напряжение сток-исток соответственно.

 

Напряжение соответствия , где V _DG = 0, а выходное сопротивление полевого МОП-транзистора все еще велико, поведение зеркала тока все еще работает при самом низком выходном напряжении. Напряжение соответствия можно рассчитать, выведя условие –

  V  CV  = V  GS  (I  D  при V  DG  = 0) 
  Или, f  -1  (I  D  ), когда V  DG  = 0  

 

Практическая модель схемы токового зеркала

Текущая схема зеркала смоделирована с использованием моделей Proteus.

 

Слева показана схема токового зеркала с использованием 2N2222 BJT, в которой используются две идентичные пары транзисторов. Вместо программирующего резистора для управления потоком тока в реальном моделировании используется потенциометр. То же самое создано для МОП-транзисторов 2N6660.

Амперметр подключен как к входной, так и к выходной токовой стороне. По мере моделирования входной ток почти одинаков и отражается через вторичную сторону.

Подробную работу можно посмотреть в видео ниже.

 

Применение схемы токового зеркала

Схема токового зеркала широко применяется в области производства интегральных схем. Источник опорного тока создается с использованием схемы токового зеркала. Используя этот метод, можно создать несколько опорных точек из одного источника.