- Miglioramento del circuito dello specchio di corrente di base
- Wilson Current Mirror Circuit
- Vantaggi e limitazioni della Wilson Current Mirror Technique
- Esempio pratico di Wilson Current Mirror Circuit
- Tecnica dello specchio corrente di Widlar
- Analisi e derivazione dell'impedenza di uscita per il circuito a specchio di corrente in Widlar
Nell'articolo precedente, abbiamo discusso del Current Mirror Circuit e di come può essere costruito utilizzando Transistor e MOSFET. Nonostante il fatto che il circuito a specchio di corrente di base possa essere costruito utilizzando due semplici componenti attivi, BJT e MOSFET o utilizzando un circuito amplificatore, l'uscita non è perfetta, così come ha alcune limitazioni e dipendenze dalle cose esterne. Quindi, per ottenere un output stabile, vengono utilizzate tecniche aggiuntive negli attuali circuiti a specchio.
Miglioramento del circuito dello specchio di corrente di base
Sono disponibili diverse opzioni per migliorare l'uscita di Current Mirror Circuit. In una delle soluzioni vengono aggiunti uno o due transistor rispetto al tradizionale design a due transistor. La costruzione di questi circuiti utilizza la configurazione inseguitore di emettitore per superare il disadattamento della corrente di base dei transistor. Il design può avere un diverso tipo di struttura del circuito per bilanciare l'impedenza di uscita.
Sono disponibili tre metriche principali per analizzare le prestazioni correnti del mirror come parte di un circuito di grandi dimensioni.
1. La prima metrica è la quantità di errore statico. È la differenza tra le correnti di ingresso e di uscita. È un compito difficile ridurre al minimo la differenza poiché la differenza della conversione dell'uscita differenziale single-ended con il guadagno dell'amplificatore differenziale è responsabile del controllo del rapporto di reiezione di modo comune e alimentazione.
2. La metrica successiva più cruciale è l'impedenza di uscita della sorgente di corrente o la conduttanza di uscita. È fondamentale perché influisce di nuovo sul palco mentre la sorgente di corrente si comporta come un carico attivo. Colpisce anche il guadagno di modo comune in diverse situazioni.
3. Per il funzionamento stabile dei circuiti a specchio di corrente, l' ultima metrica importante sono le tensioni minime provenienti dalla connessione della barra di alimentazione situata tra i terminali di ingresso e di uscita.
Quindi, per migliorare l'output del circuito di mirroring corrente di base, considerando tutte le metriche delle prestazioni sopra, qui discuteremo delle tecniche di mirroring correnti popolari: Wilson Current Mirror Circuit e Widlar Current Source Circuit.
Wilson Current Mirror Circuit
Tutto è iniziato con una sfida tra due ingegneri, George R. Wilson e Barrie Gilbert, per realizzare un circuito a specchio di corrente migliorato durante la notte. Inutile dire che George R. Wilson vinse la sfida nel 1967. Dal nome di George R. Wilson, il circuito a specchio di corrente migliorato da lui progettato si chiama Wilson Current Mirror Circuit.
Il circuito di mirroring della corrente Wilson utilizza tre dispositivi attivi che accettano la corrente attraverso il suo ingresso e forniscono la copia esatta o la copia speculare della corrente al suo output.
Nel circuito Wilson Current Mirror sopra, ci sono tre componenti attivi che sono BJT e un singolo resistore R1.
Qui vengono fatte due ipotesi: una è che tutti i transistor abbiano lo stesso guadagno di corrente che è e la seconda è che le correnti di collettore di T1 e T2 siano uguali, poiché T1 e T2 sono abbinati e lo stesso transistor. Perciò
Io C1 = io C2 = io C
E questo vale anche per la corrente di base, Io B1 = io B2 = io B
La corrente di base del transistor T3 può essere facilmente calcolata dal guadagno di corrente, che è
Io B3 = io C3 / β… (1)
E la corrente dell'emettitore del T3 sarà
Io B3 = ((β + 1) / β) io C3 … (2)
Se guardiamo lo schema sopra, la corrente attraverso l'emettitore T3 è la somma della corrente del collettore di T2 e delle correnti di base di T1 e T2. Perciò, Io E3 = io C2 + io B1 + io B2
Ora, come discusso sopra, questo può essere ulteriormente valutato come
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Quindi, Io E3 = (1+ (2 / β)) io C
L'I E3 può essere modificato come da (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
La corrente del collettore può essere scritta come, Io C = ((1+ β) / (β + 2)) Io C3 … (3)
Ancora una volta come da schema la corrente attraverso
L'equazione di cui sopra può tracciare una relazione tra la corrente dei collettori del terzo transistor con il resistore di ingresso. Come? Se 2 / (β (β + 2)) << 1 allora I C3 ≈ I R1. La corrente di uscita può anche essere facilmente calcolata se la tensione base-emettitore dei transistor è inferiore a 1V.
Io C3 ≈ Io R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Quindi, per la corrente di uscita corretta e stabile, R 1 e V 1 devono essere nei valori corretti. Per fare in modo che il circuito agisca come una sorgente di corrente costante, è necessario sostituire R1 con una sorgente di corrente costante.
Miglioramento del circuito Wilson Current Mirror
Il circuito dello specchio di corrente di Wilson può essere ulteriormente migliorato per ottenere una precisione perfetta aggiungendo un altro transistor.
Il circuito sopra è la versione migliorata del circuito a specchio corrente Wilson. Il quarto transistor T4 viene aggiunto nel circuito. Il transistor aggiuntivo T4 bilancia la tensione del collettore di T1 e T2. La tensione di collettore di T1 viene stabilizzata della quantità pari a V BE4. Ciò si traduce in finito
Vantaggi e limitazioni della Wilson Current Mirror Technique
L'attuale circuito a specchio presenta diversi vantaggi rispetto al tradizionale circuito di base a specchio corrente-
- In caso di circuito a specchio di corrente di base, la mancata corrispondenza della corrente di base è un problema comune. Tuttavia, questo circuito a specchio di corrente Wilson elimina virtualmente l'errore di bilanciamento della corrente di base. A causa di ciò, la corrente di uscita è quasi precisa a partire dalla corrente di ingresso. Non solo, il circuito impiega un'impedenza di uscita molto elevata a causa del feedback negativo attraverso il T1 dalla base del T3.
- Il circuito a specchio di corrente Wilson migliorato è realizzato utilizzando 4 versioni di transistor quindi è utile per il funzionamento con correnti elevate.
- Il circuito a specchio di corrente Wilson fornisce una bassa impedenza all'ingresso.
- Non richiede tensione di polarizzazione aggiuntiva e sono necessarie risorse minime per costruirlo.
Limitazioni di Wilson Current Mirror:
- Quando il circuito dello specchio di corrente di Wilson è polarizzato con la massima alta frequenza, il ciclo di feedback negativo causa instabilità nella risposta in frequenza.
- Ha una tensione di conformità più elevata rispetto al circuito a specchio di corrente a due transistor di base.
- Il circuito dello specchio di corrente di Wilson crea rumore attraverso l'uscita. Ciò è dovuto al feedback che aumenta l'impedenza di uscita e influisce direttamente sulla corrente del collettore. La fluttuazione della corrente del collettore contribuisce ai rumori in uscita.
Esempio pratico di Wilson Current Mirror Circuit
Qui lo specchio corrente di Wilson è simulato usando Proteus.
I tre componenti attivi (BJT) vengono utilizzati per realizzare i circuiti. I BJT sono tutti 2N2222, con le stesse specifiche. Il vaso è selezionato per cambiare la corrente attraverso il collettore Q2 che si rifletterà ulteriormente sul collettore Q3. Per il carico in uscita, viene selezionata una resistenza da 10 Ohm.
Ecco il video di simulazione per Wilson Current Mirror Technique-
Nel video, la tensione programmata sul collettore di Q2 si riflette sul collettore di Q3.
Tecnica dello specchio corrente di Widlar
Un altro eccellente circuito a specchio di corrente è il circuito sorgente di corrente Widlar, inventato da Bob Widlar.
Il circuito è esattamente lo stesso del circuito a specchio di corrente di base che utilizza due transistor BJT. Ma c'è una modifica nel transistor di uscita. Il transistor di uscita utilizza un resistore di degenerazione dell'emettitore per fornire basse correnti attraverso l'uscita utilizzando solo valori moderati del resistore.
Uno dei popolari esempi di applicazione della sorgente di corrente Widlar è nel circuito dell'amplificatore operazionale uA741.
Nell'immagine sottostante, viene mostrato un circuito sorgente di corrente Widlar.
Il circuito è costituito da solo due transistor T1 e T2 e due resistori R1 e R2. Il circuito è lo stesso del circuito specchio corrente dei due transistor senza R2. L'R2 è collegato in serie con l'emettitore T2 e la massa. Questo resistore dell'emettitore riduce efficacemente la corrente attraverso il T2 rispetto al T1. Ciò viene fatto dalla caduta di tensione attraverso questo resistore, questa caduta di tensione riduce la tensione base-emettitore del transistor di uscita che si traduce ulteriormente in una ridotta corrente di collettore attraverso il T2.
Analisi e derivazione dell'impedenza di uscita per il circuito a specchio di corrente in Widlar
Come accennato in precedenza, la corrente attraverso T2 è ridotta rispetto alla corrente T1, che può essere ulteriormente testata e analizzata utilizzando le simulazioni di Cadence Pspice. Vediamo la costruzione e le simulazioni del circuito Widlar nell'immagine sottostante,
Il circuito è costruito in Cadence Pspice. Nel circuito vengono utilizzati due transistor con le stesse specifiche, che è 2N2222. Le sonde attuali mostrano il grafico corrente sui collettori Q2 e Q1.
La simulazione può essere vista nell'immagine sottostante.
Nella figura sopra, il grafico rosso, che è la corrente del collettore di Q1, si sta riducendo rispetto a Q2.
Applicando KVL (legge di Kirchhoff sulla tensione) attraverso la giunzione base-emettitore del circuito, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Il β 2 è per il transistor di uscita. È completamente diverso dal transistor di ingresso poiché il grafico della corrente sul grafico di simulazione mostra chiaramente che la corrente in due transistor è diversa.
La formula finale può essere ricavata dalla formula precedente se il β finito viene annullato e se cambiamo I C1 come I IN e I C2 come I OUT. Perciò,
Per misurare la resistenza di uscita della sorgente di corrente Widlar, il circuito a segnale piccolo è un'opzione utile. L'immagine sotto è un circuito di segnale piccolo equivalente per la sorgente di corrente Widlar.
La corrente Ix viene applicata attraverso il circuito per misurare la resistenza di uscita del circuito. Quindi, secondo la legge di Ohm, la resistenza di uscita è
Vx / Ix
La resistenza di uscita può essere determinata applicando la legge di Kirchoff attraverso il terreno sinistro a R2, è-
Ancora una volta, applicando la legge di tensione di Kirchhoff attraverso la terra R2 alla massa della corrente di ingresso, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Ora, cambiando il valore, l'equazione finale per derivare la resistenza di uscita del circuito Widlar Current Mirror è
Quindi è così che le attuali tecniche Mirror di Wilson e Widlar possono essere utilizzate per migliorare i progetti del Circuito Specchio Corrente di Base.