- Verbetering van het basisstroomspiegelcircuit
- Wilson stroomspiegelcircuit
- Voordelen en beperking van Wilson Current Mirror Technique
- Praktisch voorbeeld van Wilson Current Mirror Circuit
- Widlar Current Mirror-techniek
- Analyseren en afleiden van uitgangsimpedantie voor Widlar Current Mirror Circuit
In het vorige artikel hebben we het gehad over Current Mirror Circuit en hoe het kan worden gebouwd met Transistor en MOSFET. Ondanks het feit dat een basisstroomspiegelcircuit kan worden geconstrueerd met behulp van twee eenvoudige actieve componenten, BJT's en MOSFET's of met behulp van een versterkercircuit, is de output niet perfect, en heeft het bepaalde beperkingen en afhankelijkheden van de externe dingen. Om een stabiele output te krijgen, worden dus aanvullende technieken gebruikt in stroomspiegelcircuits.
Verbetering van het basisstroomspiegelcircuit
Er zijn verschillende opties om de output van Current Mirror Circuit te verbeteren. In een van de oplossingen worden een of twee transistors toegevoegd boven het traditionele ontwerp met twee transistoren. De constructie van die circuits maakt gebruik van een emittervolgerconfiguratie om de basisstroom-mismatch van de transistors te overwinnen. Het ontwerp kan een ander soort circuitstructuur hebben om de uitgangsimpedantie in evenwicht te brengen.
Er zijn drie primaire statistieken om de huidige spiegelprestaties te analyseren als onderdeel van een groot circuit.
1. De eerste statistiek is de hoeveelheid statische fouten. Het is het verschil tussen ingangs- en uitgangsstromen. Het is een moeilijke taak om het verschil te minimaliseren, aangezien het verschil tussen differentiële enkelzijdige uitgangsconversie met de differentiële versterkerversterking verantwoordelijk is voor het regelen van de verwerpingsverhouding van gewone modus en voeding.
2. De volgende meest cruciale maatstaf is de uitgangsimpedantie van de stroombron of de uitgangsgeleiding. Het is cruciaal omdat het het podium opnieuw beïnvloedt terwijl de huidige bron zich gedraagt als een actieve belasting. Het heeft ook invloed op de versterking van de gemeenschappelijke modus in verschillende situaties.
3. Voor de stabiele werking van stroomspiegelcircuits is de laatste belangrijke maatstaf de minimumspanningen die afkomstig zijn van de stroomrailverbinding die zich over de ingangs- en uitgangsklemmen bevindt.
Dus om de output van het Basic Current Mirror Circuit te verbeteren, rekening houdend met alle bovenstaande prestatiestatistieken, zullen we hier de populaire Current Mirror-technieken bespreken - Wilson Current Mirror Circuit en Widlar Current Source Circuit.
Wilson stroomspiegelcircuit
Het begon allemaal met een uitdaging tussen twee ingenieurs, George R. Wilson en Barrie Gilbert, om van de ene op de andere dag een verbeterd stroomspiegelcircuit te maken. Onnodig te zeggen dat George R. Wilson de uitdaging in 1967 won. Onder de naam George R. Wilson heet het verbeterde stroomspiegelcircuit dat door hem is ontworpen het Wilson Current Mirror Circuit.
Het Wilson stroomspiegelcircuit gebruikt drie actieve apparaten die de stroom over zijn ingang accepteren en de exacte kopie of gespiegelde kopie van de stroom naar de uitgang leveren.
In het bovenstaande Wilson Current Mirror Circuit zijn er drie actieve componenten die BJT's en een enkele weerstand R1 zijn.
Er worden hier twee aannames gedaan: de ene is dat alle transistors dezelfde stroomversterking hebben, en de tweede is dat de collectorstromen van T1 en T2 gelijk zijn, aangezien de T1 en T2 op elkaar zijn afgestemd en dezelfde transistor. Daarom
Ik C1 = ik C2 = ik C
En dit geldt ook voor de basisstroom, Ik B1 = ik B2 = ik B
De basisstroom van de T3-transistor kan eenvoudig worden berekend door de stroomversterking, dat wil zeggen
Ik B3 = ik C3 / β… (1)
En de emitterstroom van de T3 zal zijn
Ik B3 = ((β + 1) / β) ik C3… (2)
Als we naar het bovenstaande schema kijken, is de stroom over de T3-emitter de som van de collectorstroom van T2 en de basisstromen van T1 en T2. Daarom
Ik E3 = ik C2 + ik B1 + ik B2
Nu, zoals hierboven besproken, kan dit verder worden geëvalueerd als
Ik E3 = ik C + ik B + ik B ik E3 = ik C + 2I B
Vandaar, Ik E3 = (1+ (2 / β)) ik C
De I E3 kan worden gewijzigd volgens de (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
De collectorstroom kan worden geschreven als, Ik C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Nogmaals volgens het schema de stroom door
De bovenstaande vergelijking kan een verband leggen tussen de stroom van de derde transistorcollector en de ingangsweerstand. Hoe? Als 2 / (β (β + 2)) << 1 dan is de I C3 ≈ I R1. De uitgangsstroom kan ook eenvoudig worden berekend als de basis-emitterspanning van de transistors minder is dan 1V.
Ik C3 ≈ ik R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Dus voor de juiste en stabiele uitgangsstroom moeten de R 1 en V 1 de juiste waarden hebben. Om het circuit te laten werken als een constante stroombron, moet de R1 worden vervangen door een constante stroombron.
Verbetering van het Wilson Current Mirror Circuit
Het Wilson stroomspiegelcircuit kan verder worden verbeterd om een perfecte nauwkeurigheid te krijgen door een andere transistor toe te voegen.
Het bovenstaande circuit is de verbeterde versie van het Wilson-stroomspiegelcircuit. De vierde transistor T4 wordt in het circuit toegevoegd. De extra transistor T4 balanceert de collectorspanning van T1 en T2. De collectorspanning van T1 wordt gestabiliseerd met de hoeveelheid gelijk aan de V BE4. Dit resulteert in eindig
Voordelen en beperking van Wilson Current Mirror Technique
Het stroomspiegelcircuit heeft verschillende voordelen in vergelijking met het traditionele basisstroomspiegelcircuit-
- In het geval van een basisstroomspiegelcircuit is de mismatch in de basisstroom een veelvoorkomend probleem. Dit Wilson-stroomspiegelschakeling elimineert echter vrijwel de fout van de basisstroombalans. Hierdoor is de uitgangsstroom bijna nauwkeurig ten opzichte van de ingangsstroom. Niet alleen dit, het circuit gebruikt een zeer hoge uitgangsimpedantie vanwege de negatieve feedback over de T1 vanaf de basis van de T3.
- Het verbeterde Wilson stroomspiegelcircuit is gemaakt met behulp van 4 transistorversies, dus het is handig voor de werking bij hoge stromen.
- Het Wilson stroomspiegelcircuit biedt een lage impedantie aan de ingang.
- Het vereist geen extra voorspanning en er zijn minimale middelen nodig om het te bouwen.
Beperkingen van Wilson Current Mirror:
- Wanneer het Wilson-stroomspiegelschakeling wordt voorgespannen met een maximale hoge frequentie, veroorzaakt de negatieve terugkoppelingslus instabiliteit in de frequentierespons.
- Het heeft een hogere compliantie-spanning in vergelijking met het basisstroomspiegelcircuit met twee transistoren.
- Het huidige spiegelcircuit van Wilson creëert ruis over de uitgang. Dit komt door de feedback die de uitgangsimpedantie verhoogt en direct de collectorstroom beïnvloedt. De stroomfluctuatie van de collector draagt bij aan geluiden over de uitgang.
Praktisch voorbeeld van Wilson Current Mirror Circuit
Hier wordt de huidige spiegel van Wilson gesimuleerd met Proteus.
De drie actieve componenten (BJT) worden gebruikt om de schakelingen te maken. De BJT's zijn allemaal 2N2222, met dezelfde specificaties. De pot is geselecteerd om de stroom over de Q2-collector te veranderen, wat verder zal reflecteren op de Q3-collector. Voor de uitgangsbelasting wordt een weerstand van 10 Ohm geselecteerd.
Hier is de simulatievideo voor Wilson Current Mirror Technique-
In de video reflecteert de geprogrammeerde spanning over de Q2-collector over de Q3-collector.
Widlar Current Mirror-techniek
Een ander uitstekend stroomspiegelcircuit is het Widlar Current Source Circuit, uitgevonden door Bob Widlar.
Het circuit is exact hetzelfde als het basisstroomspiegelcircuit met twee BJT-transistors. Maar er is een wijziging in de uitgangstransistor. De uitgangstransistor gebruikt een emitter-degeneratieweerstand om lage stromen over de uitgang te leveren met slechts matige weerstandswaarden.
Een van de populaire toepassingsvoorbeelden van Widlar-stroombronnen bevindt zich in het uA741 operationele versterkercircuit.
In de onderstaande afbeelding wordt een Widlar-stroombroncircuit getoond.
De schakeling bestaat uit slechts twee transistoren T1 & T2 en twee weerstanden R1 & R2. Het circuit is hetzelfde als het stroomspiegelcircuit met twee transistors zonder de R2. De R2 is in serie verbonden met de T2-zender en aarde. Deze emitterweerstand vermindert effectief de stroom over de T2 in vergelijking met de T1. Dit wordt gedaan door de spanningsval over deze weerstand, deze spanningsval verlaagt de basis-emitterspanning van de uitgangstransistor, wat verder resulteert in een verminderde collectorstroom over de T2.
Analyseren en afleiden van uitgangsimpedantie voor Widlar Current Mirror Circuit
Zoals eerder vermeld, wordt de stroom over T2 verminderd in vergelijking met de T1-stroom, die verder kan worden getest en geanalyseerd met behulp van Cadence Pspice-simulaties. Laten we de constructie en simulaties van het Widlar-circuit in de onderstaande afbeelding bekijken,
Het circuit is gebouwd in Cadence Pspice. Er worden twee transistors met dezelfde specificatie gebruikt in het circuit, namelijk 2N2222. De huidige sondes tonen de huidige plot over Q2 en Q1 collector.
De simulatie is te zien in de onderstaande afbeelding.
In de bovenstaande afbeelding neemt de rode plot, die de collectorstroom van Q1 is, af in vergelijking met Q2.
KVL (Kirchhoff's Voltage Law) toepassen over de basis-emitterovergang van het circuit, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
De β 2 is voor de uitgangstransistor. Het is compleet anders dan de ingangstransistor, aangezien de huidige grafiek op de simulatiegrafiek duidelijk laat zien dat de stroom in twee transistors verschillend is.
De uiteindelijke formule kan worden getrokken uit de bovenstaande formule als de eindige β wordt overruled en als we de I C1 veranderen als I IN en I C2 als I OUT. Daarom
Om de uitgangsweerstand van de Widlar-stroombron te meten, is het zwakke signaalcircuit een handige optie. De onderstaande afbeelding is een equivalent circuit met een klein signaal voor de Widlar-stroombron.
De huidige Ix wordt over het circuit aangelegd om de uitgangsweerstand van het circuit te meten. Dus, volgens de wet van ohm, de output weerstand is
Vx / Ix
De uitgangsweerstand kan worden bepaald door de wet van Kirchoff over de linker grond toe te passen op de R2, het is-
Nogmaals, het toepassen van de spanningswet van Kirchhoff over de R2-aarde op de aarde van de ingangsstroom, V X = IK X (R 0 + R 2) + ik b (R 2 - βR 0)
Nu, het veranderen van de waarde, is de laatste vergelijking om de uitgangsweerstand van het Widlar Current Mirror-circuit af te leiden
Dit is dus hoe de huidige spiegeltechnieken van Wilson en Widlar kunnen worden gebruikt om de ontwerpen van het Basic Current Mirror Circuit te verbeteren.