BJT Current Mirrors verstehen

Ein Stromspiegel ist eine Schaltung, die dazu bestimmt ist, einen Strom durch ein aktives Gerät zu kopieren, indem sie den Strom in einem anderen aktiven Gerät einer Schaltung steuert, wobei der Ausgangsstrom unabhängig von der Belastung konstant gehalten wird.

Der einfachste bipolare Stromspiegel setzt diesen Gedanken um und besteht aus zwei kaskadierten Transistorstufen, die entsprechend als umgedrehte und Gleichspannungs-/Stromwandler wirken. Die Grundkonfiguration besteht typischerweise aus zwei angepaßten Transistoren, wobei der eine Transistor den Referenzstrom festlegt und der andere diesen spiegelt. Die einfache zwei Transistor-Implementierung des Stromspiegels beruht auf der grundsätzlichen Beziehung, daß zwei gleichgroße Transistoren bei gleicher Temperatur mit dem gleichen VBE für einen BJT den gleichen Drain- oder Kollektorstrom haben.

Das Funktionsprinzip beruht auf der exponentiellen Beziehung zwischen Basis-Emitter-Spannung und Kollektorstrom bei Bipolar-Übergangstransistoren. Der Emitter des Transistors Q1 ist mit Masse verbunden, sein Kollektor und seine Basis sind miteinander verbunden, so dass seine Kollektor-Basis-Spannung Null ist, und folglich ist der Spannungsabfall über Q1 VBE, d.h. diese Spannung wird durch das Diodengesetz eingestellt und Q1 soll als Diode geschaltet sein. Diese Diodenschaltung erzeugt einen logarithmischen Strom-Spannungs-Wandler, der die Basisspannung für den Ausgangstransistor einstellt.

Grundlegende Konstruktionsprinzipien

Anforderungen an die Übereinstimmung von Transistoren

Wichtig ist, daß Q1 anstelle einer einfachen Diode in der Schaltung vorhanden ist, weil Q1 VBE für den Transistor Q2 setzt. Sind Q1 und Q2 übereinstimmend, d.h. haben sie im wesentlichen die gleichen Bauelementeeigenschaften, und wird die Spiegelausgangsspannung so gewählt, daß die Kollektor-Basisspannung von Q2 ebenfalls Null ist, so ergibt der durch Q1 eingestellte VBE-Wert einen Emitterstrom in dem angepaßten Q2, der dem Emitterstrom in Q1 entspricht.

Da die Temperatur ein Faktor in der "Diodengleichung" ist und wir wollen, dass sich die beiden PN-Übergänge unter allen Betriebsbedingungen gleich verhalten, sollten wir die beiden Transistoren auf genau der gleichen Temperatur halten. Dies geschieht leicht mit diskreten Komponenten, indem die Zwei-Transistor-Gehäuse hintereinander verklebt werden. Wenn die Transistoren zusammen auf einem einzigen Chip aus Silizium (als sogenannter integrierter Schaltkreis oder IC) hergestellt werden, sollten die Konstrukteure die beiden Transistoren nahe beieinander anbringen, um die Wärmeübertragung zwischen ihnen zu erleichtern.

Für die oben genannten Anwendungen empfiehlt sich die Verwendung von zwei BJTs (zwei BJTs, die in einem einzigen Paket zusammengefügt sind), wodurch sichergestellt wird, dass die Temperatur beider Diesse nahezu identisch ist, da die beiden Transistoren physisch nebeneinander liegen. Darüber hinaus wird durch die Verwendung von Matched Devices gewährleistet, dass die elektrischen Parameter des Transistorpaares nahezu identisch sind, wodurch ein nahezu perfekt symmetrisches Verhalten gewährleistet ist.

Current Scaling und Gain

Wenn die Transistoren Q1 und Q2 in Abbildung 11.4 identisch sind (d.h. den Emitter gleicher Größe und damit gleich IS haben), ist das Verhältnis von Eingangsstrom zu Ausgangsstrom idealerweise 1. Es gibt oft Gelegenheiten, in denen ein anderer Verstärkungsfaktor erforderlich ist.

Wenn Q2 und Q3 gleichflächige Transistoren sind, sind die Lastströme Iload gleich. Wenn wir eine 2 · Iload benötigen, parallele Q2 und Q3. Besser noch einen Transistor herstellen, sagen wir Q3 mit der doppelten Fläche von Q2. Der Strom I3 wird dann zweimal I2 sein. Mit anderen Worten, der Laststrom skaliert mit der Transistorfläche.

Diese Skalierungsmöglichkeit macht Stromspiegel äußerst vielseitig, um mehrere Vorspannungsströme aus einer einzigen Referenz zu erzeugen.

Schritt-für-Schritt-Berechnungsprozess

Bestimmung des Referenzstroms

Der Entwurfsprozeß beginnt mit der Auswahl des Referenzstromes nach Maßgabe der Schaltungsanforderungen, wobei der Referenzstrom typischerweise mit einem zwischen die Versorgungsspannung und den Diodentransistor geschalteten Widerstand ermittelt wird. Bei einem Grundstromspiegel wird der Referenzwiderstandswert unter Verwendung der grundsätzlichen Beziehung berechnet: EPMATHMARKEREP

RREF = (VCC – VBE / IREF

Wobei VCC die Versorgungsspannung, VBE die Basis-Emitter-Spannung (typischerweise 0,6-0,7V für Silizium-BJTs) und IREF der gewünschte Referenzstrom ist.

Praktisches Designbeispiel

Wir wollen, dass Iref durch Rref von VCC fließt. Rref = (VCC – VBE) / Iref = (12 – 0,7) / 0,001 = 11,3V / 1mA = 11,3 kΩ

Verwenden Sie den nächstgelegenen Standardwert: 11kΩ (Iref = 1,027 mA). Die 10kΩ-Serie der E12-Serie ergibt 1,13 mA, was für die meisten Anwendungen akzeptabel ist. Dies zeigt den praktischen Ansatz, Standard-Widerstandswerte zu verwenden und kleine Abweichungen von den idealen Auslegungswerten zu akzeptieren.

Auswahlkriterien für Transistoren

Für einen 1mA-Stromspiegel funktioniert fast jeder Kleinsignal-NPN-Transistor. Hauptanforderungen: VCEO ≥ VCC (12V in diesem Beispiel) — die meisten Kleinsignaltransistoren sind mit einem Mindestwert von 25V–40V ausgestattet · IC max ≥ Iout mit Sicherheitsmarge (z. B. BC547 handhabt 100mA, leicht handhabt 1mA) Hoher hFE (Stromverstärkung) — reduziert den Basisstromfehler (siehe Abschnitt Einschränkungen).

Bilanzierung von Base Current Error

Da V be und beta für beide Transistoren gleich sind, muss auch der Basisstrom für jeden Transistor gleich sein. Da die Transistoren in ihren linearen Bereichen betrieben werden, wird der Strom durch Rp zwischen dem Kollektor und dem die beiden Basen speisenden Zweig aufgeteilt, was eine der Hauptbeschränkungen des Basis-Zweitransistor-Stromspiegels darstellt.

Die Ausgangsstrombeziehung, die für finite beta (β) bilanziert wird, kann wie folgt ausgedrückt werden:

IOUT = IREF × β2/(β2 + 2β)

Beachten Sie, dass diese Gleichung voraussagt, dass IO < IREF es sei denn β →∞. Für typische Transistoren mit β = 100, führt dies zu etwa 2% Fehler im gespiegelten Strom.

Leistungsmerkmale und Einschränkungen

Output-Impedanz

Ein wichtiges Merkmal des Stromspiegels ist ein relativ hoher Ausgangswiderstand, der dazu beiträgt, den Ausgangsstrom unabhängig von den Lastbedingungen konstant zu halten, der zweite ist sein Wechselstromausgangswiderstand, der bestimmt, wie stark der Ausgangsstrom mit der an den Spiegel angelegten Spannung variiert.

Ein Stromspiegel hat eine hohe Ausgangsimpedanz, da sein Ausgangsknoten so konfiguriert ist, dass Änderungen der Ausgangsspannung nur geringe Änderungen des Ausgangsstroms erzeugen, wobei eine hohe Ausgangsimpedanz aus der Gerätephysik und der Schaltungstopologie resultiert, die den Strom von der Spannung am Spiegelausgang entkoppelt.

Frühe Wirkung und Output-Resistenz

Der VCB von Q1 im Spiegel ist Null. Ist VCB größer als Null im Ausgangstransistor Q2, so ist der Kollektorstrom in Q2 aufgrund des Early-Effekts etwas größer als Q1. Einer der Fehler in der Salbe ist der Early-Effekt der Kollektorspannung auf den Kollektorstrom. Er kann manchmal aus Datenblattparametern geschätzt werden, wenn der Ausgangszugang (Hoe) angegeben ist (Ee ~ Hacke / Teststrom). Ein repräsentativer Wert ist 1% pro Volt.

Wenn wir den Early-Effekt mit einbeziehen und annehmen, dass er vernachlässigbare Auswirkungen in der Lösung für IO hat, wird der Ausgangswiderstand durch die Early-Spannung geteilt durch den Ausgangsstrom gegeben. Dieser endliche Ausgangswiderstand bewirkt, dass der gespiegelte Strom mit Änderungen der Ausgangsspannung geringfügig variiert.

Compliance-Spannung

Die minimale Spannung, die über dem Ausgangsteil des Spiegels abfällt, damit er richtig funktioniert. Diese minimale Spannung wird durch die Notwendigkeit bestimmt, den Ausgangstransistor des Spiegels im aktiven Modus zu halten. Der Spannungsbereich, in dem der Spiegel arbeitet, wird als Nachgiebigkeitsbereich bezeichnet und die Spannung, die die Grenze zwischen gutem und schlechtem Verhalten markiert, wird als Nachgiebigkeitsspannung bezeichnet.

Es ist notwendig, den Ausgangstransistor (BJT) außerhalb der Sättigung zu halten, VCB = 0 V. Oder aus einer anderen Perspektive nicht zulassen, dass der Kollektorbasisübergang Vorspannung durchschaltet Das bedeutet, dass die niedrigste Ausgangsspannung, die zu dem richtigen Ausgangsstrom, der Compliance-Spannung, führt, VOUT = VCV = VBE unter Vorspannungsbedingungen mit dem Ausgangstransistor auf dem Ausgangsstrompegel IC und mit VCB = 0 V ist.

Temperaturempfindlichkeit

der Stromspiegel wird häufig in Bipolarschaltungen wie Niederspannungs-Bipolarverstärkerschaltungen verwendet. Ein Problem bei Niederspannungsanwendungen ergibt sich aus Schwankungen der Basis-Emitter-Spannung, V be , mit Temperatur, die einen Referenzstrom und einen gespiegelten Strom negativ beeinflussen können. der Strom durch den Transistor Q rf steigt, wenn V be bei etwa -2 mV / °C für einen Silizium-Bipolartransistor oder -1 mV / °C für einen GaAs-Heteroübergangs-Bipolartransistor reduziert wird.

In diesem Artikel wird eine genaue Stromreferenz unter Verwendung von Temperatur- und Prozesskompensationsstromspiegel (TPC-CM) vorgeschlagen, wobei der temperaturunabhängige Referenzstrom durch Summieren eines proportionalen zum absoluten Temperaturstrom (PTAT) und eines komplementären zum absoluten Temperaturstrom (CTAT) erzeugt wird.

Verbesserte aktuelle Spiegeltopologien

Emitterdegeneration

Eine bessere Übereinstimmung zwischen Eingangs- und Ausgangsströmen wird dadurch erreicht, daß die Transistoren mit Reihenemitterwiderständen beaufschlagt werden, die bei steigendem Strom in einem Transistor die Spannung an seinem Emitterwiderstand erhöht, was zu einer Abnahme seiner Basis-Emitter-Spannung führt, wodurch der Strom abnimmt und die beiden Transistoren mehr gleiche Ströme haben. Ein typischer Wert für die Emitterwiderstände könnte 100 Ω betragen.

Ein erster Schritt ist, Widerstände an die Emitter (oder die Quellen, im Fall von MOS-Transistoren) anzuschließen, wie in Abbildung 4-7 dargestellt. Mit den 6 kΩ-Widerständen, die wir in diesem Beispiel verwenden, fallen wir 300 mV über die Widerstände ab. Wenn der Strom in Q2 höher als I1 sein will, würde dies auch einen höheren Spannungsabfall über R2 verursachen. Dieser erhöhte Spannungsabfall über R2 verringerte die Basis-Emitter-Spannung (VBE) von Q2. Dieser negative Rückkopplungseffekt zwingt I2 zurück, wo er mehr oder weniger gleich I1 ist.

Bei Verwendung von unangepassten (typischerweise diskreten) Transistoren für einen Spiegel ist seit langem bekannt, daß resistive Emitterdegeneration ein viel vorhersagbareres Ergebnis und eine höhere effektive Ausgangsimpedanz liefert, was dem Early-Effekt entgegenwirkt, was jedoch zu Lasten einer verringerten Spannungsreserve und einer erhöhten Mindestkonformitätsspannung geht.

Bemessungsgrundlage für die Ausgleichszahlungen

Abbildung 3 zeigt den Grundstromspiegel mit einem dritten Transistor, Abbildung 3: Spiegel mit Basisstromkompensation. Diese Drei-Transistor-Anordnung reduziert den Grundstromfehler, der das grundlegende Zwei-Transistor-Design plagt, erheblich.

Die Abbildung 11.8 zeigt einen Spiegel, bei dem der einfache Draht, der den Kollektor von Q1 mit seiner Basis verbindet, durch einen Emitterfolgerpuffer ersetzt wird. Diese Verbesserung des einfachen Stromspiegels wird als Emitterfolger-erweiterter Spiegel bezeichnet. Die Stromverstärkung (ßQ3) der Emitterfolgerpufferstufe (Q3) reduziert den Verstärkungsfehler, der durch die endlichen Basisströme von Q1 und Q2 verursacht wird.

Wilson aktueller Spiegel

Die Schaltung ist nach George R. Wilson benannt, einem Ingenieur für integrierte Schaltungen, der für Tektronix arbeitete. Wilson entwickelte diese Konfiguration 1967, als er und Barrie Gilbert sich gegenseitig herausforderten, um über Nacht einen verbesserten Stromspiegel zu finden, der nur drei Transistoren verwenden würde.

Der Wilson-Stromspiegel hat die besonderen Vorteile gegenüber Alternativen, dass: Der statische Fehler, die Input-Output-Stromdifferenz, auf sehr kleine Werte reduziert wird, die fast ausschließlich auf zufällige Gerätefehlanpassungen zurückzuführen sind, während die Ausgangsimpedanz um den Faktor ... Die Schaltung verwendet minimale Ressourcen.

Die Wilson-Konfiguration ist im Gegensatz zu einfachen Stromspiegel-Designs nahe an der Beseitigung von Grundstrom-Balance-Fehlern, was zu einer Ausgangsstromgenauigkeit nahe der Eingangsstromreferenz führt. Hohe Ausgangs-Impedanz: Die Schaltung verwendet eine sehr hohe Ausgangsimpedanz wegen der negativen Rückkopplung von T3 Basis zu T1, die den einfachen Zwei-Transistor-Stromspiegeln weit überlegen ist.

Eine noch größere Verbesserung kann durch den Zusatz eines Transistors erreicht werden. Diese Schaltung, erfunden von George Wilson, wird natürlich Wilson Current Mirror genannt (analoge Designer erhalten keine Nobelpreise, sie erhalten eine Schaltung, die nach ihnen benannt ist).

Verbesserter Wilson Mirror

Wenn man einen vierten Transistor zu dem einfachen Wilson-Stromspiegel in Abbildung 11.10 hinzufügt, haben wir den modifizierten oder verbesserten Wilson-Spiegel. Die verbesserte Eingangs-/Ausgangsstromgenauigkeit wird durch den Ausgleich der Kollektorspannungen von Q1 und Q2 bei 1 VBE erreicht.

Es gibt immer noch einen systematischen Fehler im grundlegenden Wilson-Stromspiegel: Die beiden Transistoren, die dazu bestimmt sind, nicht die gleichen Kollektorspannungen zu haben. Ein Transistor ist an VBE; der andere ist an 2VBE. Geben Sie einen vierten Transistor ein (Abbildung 4-12). Der einzige Zweck von Q4 ist es, die Kollektorspannung von Q1 auf den gleichen Wert wie die von Q2 zu senken. Damit sehen wir in Abbildung 4-13, dass I2 jetzt innerhalb von 0,6% von I1 liegt und sich im Ausgangsspannungsbereich um weniger als 0,08% ändert.

Widlarstromquelle

Eine Widlar-Stromquelle ist eine Modifikation des Basis-Zwei-Transistor-Stromspiegels, der einen Emitter-Degenerationswiderstand nur für den Ausgangstransistor enthält, so dass die Stromquelle niedrige Ströme mit nur moderaten Widerstandswerten erzeugen kann. Diese Schaltung ist nach ihrem Erfinder Robert Widlar benannt und wurde 1967 patentiert. Die Widlar-Schaltung kann mit Bipolartransistoren oder MOS-Transistoren verwendet werden. Eine Anwendung findet sich in dem jetzt berühmten Operationsverstärker uA741 und Widlar verwendete die Schaltung in vielen seiner Entwürfe.

Fig. 11.11 zeigt eine beispielhafte Widlar-Stromquelle mit Bipolartransistoren, bei der der Emitterwiderstand R2 in Reihe mit dem Emitter des Ausgangstransistors Q2 geschaltet ist und die Wirkung hat, den Strom in Q2 gegenüber Q1 zu reduzieren. Diese Topologie ist besonders nützlich, wenn sehr niedrige Ausgangsströme benötigt werden, ohne unpraktisch große Widerstandswerte zu verwenden.

Cascode Stromspiegel

Die Kaskode-Stromspiegelanordnung stapelt zusätzliche Transistoren, um die Ausgangsimpedanz dramatisch zu erhöhen. Cascoding multipliziert den Ausgangswiderstand weiter, wenn extrem hohe Rout erforderlich ist. Cascode-Spiegel: Rout erhöht sich grob um den intrinsischen Verstärkungsfaktor des Kaskodes, wodurch Rout >>Ro eines einzelnen Geräts entsteht.

Der Kaskode erhöht die Ausgangsimpedanz um etwa zwei Größenordnungen, was die Leistung erheblich verbessert. Außerdem ermöglicht er Q1 und Q2 sehr ähnliche Betriebsbedingungen, was auch die Leistung verbessert. Dadurch sind Kaskodenspiegel ideal für Anwendungen, die sehr stabile Stromquellen mit minimaler Empfindlichkeit gegenüber Spannungsschwankungen erfordern.

Die Haupteinschränkung des BJT-Kascode-Spiegels besteht darin, dass der systematische Verstärkungsfehler, der auf finite beta zurückzuführen ist, groß war. Um diese Einschränkung zu überwinden, wird der Wilson-Spiegel verwendet. Die Wahl zwischen Cascode- und Wilson-Konfigurationen hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen und Leistungsprioritäten ab.

Anwendungen von BJT Current Mirrors

Biasing Networks

Der Stromspiegel dient zur Erzeugung von Vorspannungen und aktiven Lasten für Stromkreise. Stromspiegel werden in großem Umfang verwendet, um stabile Arbeitspunkte für Transistoren in Verstärkerstufen herzustellen. Im Gegensatz zu resistiven Vorspannungen bietet die Stromspiegelvorspannung eine überlegene Stromversorgungsunterdrückung und Temperaturstabilität.

Während Widerstände in ICs hergestellt werden können, ist es einfacher, Transistoren herzustellen. IC-Konstrukteure vermeiden einige Widerstände, indem sie Lastwiderstände durch Stromquellen ersetzen. Eine Schaltung wie ein Operationsverstärker, der aus diskreten Komponenten aufgebaut ist, wird einige wenige Transistoren und viele Widerstände haben. Eine Version mit integrierten Schaltungen wird viele Transistoren und einige Widerstände haben. Dieser grundlegende Unterschied treibt die weit verbreitete Verwendung von Stromspiegeln in der integrierten Schaltungskonstruktion voran.

Aktive Lasten in Differenzverstärkern

Viele IC-Verstärker verwenden BJT-Laster anstelle des Lastwiderstands, RC. BJT-Lastwiderstand ist normalerweise als Konstantstromquelle mit einer sehr hohen Widerstandslast (Ausgangswiderstand der Stromquelle) verbunden • Höherer Lastwiderstand, höhere Ausgangsverstärkung. linke Abbildung zeigt einen AMP mit aktiver Last (bestehend aus Q3 und Q4).

Ein Differenzverstärker weist zwei BJT-Transistoren Q1 und Q2 auf, deren Emitteranschlüsse miteinander und mit einer Stromquelle verbunden sind. Bei Verwendung eng abgestimmter BJTs ist die Gleichtaktverstärkung äußerst gering, und wenn diese Geräte thermisch eng miteinander gekoppelt sind, haben Temperaturänderungen nur den gleichen Effekt wie das Anlegen einer langsam wechselnden Gleichtakteingangsspannung. Die in Abbildung 3 gezeigte Differenzverstärkerschaltung verwendet auch zwei Stromspiegel - einen zur Vorspannung und einen anderen als Verstärkungskomponente für einen Single-ended-Ausgang.

Die Stromspiegel-Wirklast erzeugt eine sehr hohe Innenimpedanz und trägt somit zu einer sehr hohen Differenzverstärkung bei, was für Operationsverstärkereingangsstufen und andere hochverstärkte Analogschaltungen von grundlegender Bedeutung ist.

Betriebsverstärkerdesign

Die meisten modernen Operationsverstärker verwenden ein vorderes Endstück eines Differenzverstärkers, d.h. die erste Stufe des Operationsverstärkers ist ein Differenzverstärker. Stromspiegel spielen mehrere kritische Rollen im Operationsverstärkerdesign, einschließlich Tailstromquellen für Differenzpaare, aktive Lasten für Spannungsverstärkungsstufen und Endstufenvorspannung.

Die Kollektorlast eines Transistors ist oft kein Widerstand, sondern ein Stromspiegel, beispielsweise die Kollektorlast des Q4-Kollektors Ch8 ist ein Stromspiegel (Q2). Für ein Beispiel eines Stromspiegels mit mehreren Kollektoren sind Ausgänge siehe Q13 in Modell 741, Ch8. Die Q13-Stromspiegelausgänge ersetzen Widerstände als Kollektorlasten für Q15 und Q17.

Aktuelle Lenkung und Signalverarbeitung

Stromspiegel ermöglichen ausgeklügelte Stromlenktechniken in analogen Multiplizierern, Digital-Analog-Wandlern und anderen Präzisions-Analogschaltungen. Digital-Analog-Wandler: Stromspiegel können in Digital-Analog-Wandlerschaltungen verwendet werden, um eine präzise Stromquelle zu liefern, die proportional zum digitalen Eingangscode ist.

In analogen Multiplizierern und Verstärkern mit variabler Verstärkung ermöglichen Stromspiegel eine präzise Steuerung der Signalströme bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen Linearität und einer geringen Verzerrung.

Spannungsregler und Referenzen

Spannungsregler: Stromspiegel können in Spannungsreglerschaltungen verwendet werden, um einen konstanten Strom für eine Last bereitzustellen, unabhängig von Änderungen der Eingangsspannung oder des Lastwiderstands. Bandgap-Spannungsreferenzen, die für Präzisionsanalogsysteme von grundlegender Bedeutung sind, sind zur Erzeugung temperaturkompensierter Referenzspannungen stark auf Stromspiegelschaltungen angewiesen.

Stromspiegel dienen auch als wesentliche Bausteine in Low-Dropout (LDO) Reglern, die stabile Biasströme für Fehlerverstärker und Pass-Transistoren liefern und gleichzeitig hohe Ausfallquoten für die Stromversorgung beibehalten.

Aktuelle Sensing-Anwendungen

Viele Anwendungen wie Elektrofahrzeuge oder Sanfthybridfahrzeuge erfordern beispielsweise, dass der Laststrom, der von einer Batterie bezogen wird, in der Nähe der Batterie selbst erfasst wird. Der Strom muss in eine Spannung umgewandelt werden, die im Eingangsbereich eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) oder eines Mikrocontrollers liegt, und daher muss er eine kleine Größe haben. Dies kann mit der Strommessschaltung in Abbildung 5 erfolgen, wobei V1 die 48-V-Batteriespannung darstellt und I1 der Laststrom, der von ihr entnommen wird. Diese Schaltung basiert eindeutig auf zwei Stromspiegeln - einem Paar NPN-BJTs und einem anderen Paar PNPs. Eine Last wird über einen 50-mΩ-Strommesswiderstand mit der Batterie verbunden, was bedeutet, dass bei einem maximalen Laststrom von 10 A die Eingangsspannung der Sensorschaltung 0,5 V beträgt.

LED-Treiber und Display-Anwendungen

Im Gegensatz zu einem einfachen Widerstand (dessen Strom sich mit der Versorgungsspannung und der Variation der LED VF ändert), behält ein Stromspiegel unabhängig von Versorgungsschwankungen genau den eingestellten Strom bei, wodurch die LED-Helligkeit konsistent wird. Diese Anwendung ist besonders wichtig bei der Anzeige von Hintergrundbeleuchtung, Anzeigeleuchten und Fahrzeugbeleuchtungssystemen, bei denen eine konsistente Helligkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Designüberlegungen und Best Practices

Layout-Techniken für Matching

Um diese Fehlerquelle zu minimieren, müssen sorgfältige Anordnung und Transistordesign verwendet werden. Beispielsweise können Q1 und Q2 jeweils als Paar paralleler Transistoren implementiert werden, die als kreuzgekoppeltes Vierfach in einem gemeinsamen zentrischen Layout angeordnet sind, um die Auswirkungen lokaler Gradienten in der Stromverstärkung zu reduzieren. Wenn der Spiegel auf einem festen Bias-Niveau verwendet werden soll, können Anpassungswiderstände in den Emittern dieses Paares einen Teil des Anpassungsproblems von den Transistoren auf diese Widerstände übertragen.

Die Düsenpaare in jedem Gehäuse werden speziell aus dem gleichen Waferbereich geerntet, um die Möglichkeit von Abweichungen im Herstellungsprozess zu minimieren.

Wärmemanagement

Um die Übereinstimmung zu erhalten, muss die Temperatur der Transistoren nahezu gleich sein. Bei integrierten Schaltungen und Transistoranordnungen, bei denen beide Transistoren auf demselben Die sind, ist dies leicht zu erreichen. Wenn jedoch die beiden Transistoren weit voneinander getrennt sind, ist die Genauigkeit des Stromspiegels beeinträchtigt.

Bei diskreten Implementierungen sind physikalische Nähe und thermische Kopplung unerlässlich. Die Montage von angepassten Transistoren an demselben Kühlkörper oder die Verwendung von Dual-Transistor-Paketen gewährleistet die thermische Nachführung. Bei Hochleistungsanwendungen verhindert ein sorgfältiges thermisches Design Temperaturunterschiede, die die Übereinstimmungsgenauigkeit beeinträchtigen würden.

Überlegungen zur Stromversorgung

Die minimale Versorgungsspannung für einen Stromspiegel muss die Konformitätsspannung plus etwaige Spannungsabfälle über Stromeinstellwiderstände aufnehmen. Für Basisspiegel ist in der Regel mindestens VBE + VCE,sat erforderlich, etwa 1V für Silizium-BJTs. Komplexere Topologien wie Wilson oder Kaskodenspiegel erfordern zusätzliche Headroom.

Die Störeinkopplung von Stromversorgungsgeräuschen in den Referenzstrom kann die Spiegelleistung beeinträchtigen. Durch die richtige Entkopplung von Kondensatoren und das sorgfältige Design des Stromverteilungsnetzes werden diese Effekte minimiert.

Frequenzsteuerung und Stabilität

Hochfrequenzbetrieb erzeugt Instabilität in der Gegenkopplungsschleife, wobei die parasitären Kapazitäten der Transistoren, insbesondere die Basis-Kollektor-Kapazität, Pole in der Übertragungsfunktion erzeugen können, die die Bandbreite begrenzen oder Instabilität in Rückkopplungskonfigurationen verursachen.

Eine weitere Folge der Zugabe des Emitterfolgerpuffers ist im allgemeinen ein Verlust des Frequenzganges des Spiegels. Der Transistor Q3 arbeitet potentiell bei einem sehr kleinen Strom von 2 IB. Würde am gemeinsamen Basisanschluß von Q1 und Q2 eine signifikante Kapazität gegen Masse vorhanden sein, so wird der zur Entladung dieses Stromes zur Verfügung stehende Strom ebenfalls klein gleich 2 IB sein. Für Hochfrequenzanwendungen ist eine sorgfältige Beachtung parasitärer Kapazitäten und Betriebsströme wesentlich.

Fortgeschrittene Themen und moderne Entwicklungen

Niederspannungsbetrieb

Dieser Unterschied wird erhöht, wenn die Transistoren einen gemeinsamen Body-Anschluss haben und der Body-Effekt in M4 seine Schwellenspannung erhöht. Auf der Ausgangsseite des Spiegels beträgt die Mindestspannung gegenüber Masse ... Diese Spannung ist wahrscheinlich deutlich größer als 1,0 Volt. Beide Potentialunterschiede lassen keine ausreichende Kopffreiheit für die Schaltung, die den Eingangsstrom liefert und den Ausgangsstrom verwendet, es sei denn, die Stromversorgungsspannung ist höher als 3 Volt. Viele moderne integrierte Schaltungen sind so konzipiert, dass sie Niederspannungsnetzteile verwenden, um die Einschränkungen von Kurzkanaltransistoren zu erfüllen, die Notwendigkeit von batteriebetriebenen Geräten zu erfüllen und eine hohe Energieeffizienz im Allgemeinen zu haben.

Das Ergebnis ist, dass neue Designs dazu neigen, eine Variante einer breiten Kaskode zu verwenden Stromspiegelkonfiguration.

Moderne Niederspannungsdesigns verwenden spezialisierte Topologien, die die Anforderungen an die Spannungsreserve minimieren und gleichzeitig eine ausreichende Leistung beibehalten. Dazu gehören verstärkten Spiegel, geregelte Kaskode Konfigurationen und adaptive Biasing-Schemata, die Leistung über unterschiedliche Versorgungsspannungen zu optimieren.

Prozesskompensationstechniken

Zur Kalibrierung der Prozessvariation werden zur Kalibrierung der Prozessvariation zwei binär gewichtete Stromspiegel verwendet, die den Temperaturkoeffizienten und die Größe des Referenzstroms steuern. Nach der Messung der PTAT- und CTAT-Ströme werden die Schaltcodes der TPC-CM so festgelegt, dass die Größe des Referenzstroms temperaturunabhängig ist. Die Codes werden in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert. In der Simulation wird der Effekt der Prozessvariation von 19,7% nach der Kalibrierung mit einer TPC-CM chipweise auf 0,52% reduziert.

Digitale Trimm- und Kalibriertechniken ermöglichen es modernen Stromspiegeln, Präzisionsgrade zu erreichen, die zuvor nicht erreichbar waren. Durch die Messung und Kompensation von Prozessschwankungen während der Produktionsprüfung können Hersteller strenge Spezifikationen für Produktionslose und Betriebsbedingungen garantieren.

Designs mit hoher Output-Impedanz

Der Stromspiegel ist eines der Schlüsselelemente im analogen Schaltungsdesign. Für Anwendungen mit Hochleistungs-Analogschaltungen sind die Genauigkeit und Ausgangsimpedanz die wichtigsten Parameter, um die Leistung des Stromspiegels zu bestimmen. In diesem Artikel wird ein neuer Stromspiegel vorgeschlagen, der eine hohe Genauigkeit und eine sehr hohe Ausgangsimpedanz bietet. Eine neuartige Rückkopplungs-Verstärkungsstufe wird verwendet, um die Ausgangsimpedanz und die Anpassungsgenauigkeit signifikant zu erhöhen. Darüber hinaus weist der vorgeschlagene neue Stromspiegel auch eine Ausgangsschwingung auf, die dem herkömmlichen zweistufigen Kaskodenstromspiegel ähnelt.

Moderne Topologien verwenden mehrere Rückkopplungsschleifen und Verstärkungstechniken, um Ausgangsimpedanzen im Gigaohm-Bereich zu erzielen Diese ultrahochohmigen Spiegel sind für Präzisionsinstrumente, hochauflösende Datenwandler und andere Anwendungen, bei denen die Qualität der Stromquelle die Systemleistung direkt beeinflusst, von wesentlicher Bedeutung.

Fehlerbehebung und häufige Fallstricke

Probleme mit Fehlanpassungen

k1 wird als Stromfaktor bezeichnet und sollte idealerweise einen Wert von 1 oder einen anderen Wert haben, der durch das Verhältnis zwischen den ausgewählten Werten für R1 und R2 bestimmt ist. IOUT sollte IIN über den Bereich der vom Design geforderten Eingangsstromwerte verfolgen, jedoch werden auch kleine Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der BJTs, wie zum Beispiel, wenn sie unterschiedliche Werte von VBE und/oder hfe haben, dann wird k1 vom gewünschten Wert abweichen. Dies macht es schwieriger, IOUT genau zu steuern und damit das Verhalten der Schaltung zu definieren, die sie voreingenommen hat.

Bei der Fehlersuche bei Stromspiegelschaltungen ist zu überprüfen, ob die Transistoren richtig aufeinander abgestimmt sind und in ihren aktiven Bereichen arbeiten.

Sättigung und Einhaltung

Einer der häufigsten Fehler bei Stromspiegelschaltungen tritt auf, wenn der Ausgangstransistor aufgrund unzureichender Kollektor-Emitter-Spannung in die Sättigung gelangt, was typischerweise dann der Fall ist, wenn der Lastwiderstand zu groß oder die Versorgungsspannung zu niedrig ist.

Bei Stromkreisen mit unterschiedlichen Lasten können dynamische Compliance-Verstöße bei Transienten auftreten. Durch Hinzufügen von Bypass-Kondensatoren und die Gewährleistung ausreichender Spannungsmargen können diese Probleme vermieden werden.

Oszillation und Instabilität

Stromspiegel mit Rückkopplung, insbesondere Wilson-Konfigurationen, können schwingen, wenn parasitäre Kapazitäten eine übermäßige Phasenverschiebung erzeugen. Kleine Kompensationskondensatoren über kritische Knoten können die Schaltung stabilisieren. Eine übermäßige Kompensation verschlechtert jedoch den Frequenzgang, was eine sorgfältige Optimierung erfordert.

Erdungs- und lokale Entkopplungskondensatoren minimieren diese Effekte. Bei Mixed-Signal-Systemen verhindert die Trennung von analoger und digitaler Erdung, dass digitales Schaltrauschen analoge Ströme korrumpiert.

Messung und Charakterisierung

DC-Charakterisierung

Um einen Stromspiegel vollständig zu charakterisieren, messen Sie den Ausgangsstrom im Vergleich zur Ausgangsspannung über den gesamten Compliance-Bereich. Diese I-V-Kurve zeigt die Compliance-Spannung, die Ausgangsimpedanz und jedes nicht ideale Verhalten.

Die Temperaturcharakterisierung erfordert Messungen über den angegebenen Temperaturbereich, typischerweise -40°C bis +125°C für kommerzielle Anwendungen. Ausgangsstrom gegen Temperatur bei festem Referenzstrom und Ausgangsspannung aufzeichnen, um den Temperaturkoeffizienten zu quantifizieren. Gut konzipierte Spiegel sollten Temperaturkoeffizienten unter 100 ppm / °C aufweisen.

AC-Leistung

Die AC-Charakterisierung beinhaltet die Messung der Ausgangsimpedanz in Abhängigkeit von der Frequenz und die Bestimmung der Bandbreite des Stromspiegels. Die Kleinsignal-AC-Analyse zeigt Pole und Nullen in der Übertragungsfunktion. Für Spiegel, die in dynamischen Anwendungen verwendet werden, zeigen transiente Antwortmessungen Einschwingzeit und Überschwingereigenschaften.

Die Messung von Rauschen ist für Präzisionsanwendungen von entscheidender Bedeutung. Die Spektraldichte des Ausgangsstromrauschens im interessierenden Frequenzbereich wird gemessen. Das Flickerrauschen dominiert bei niedrigen Frequenzen, während das thermische Rauschen den Rauschgrund bei höheren Frequenzen einstellt.

Praktische Design-Ressourcen

Für Ingenieure, die BJT-Stromspiegel entwerfen, bieten mehrere hervorragende Ressourcen zusätzliche Tiefe und praktische Anleitung. Die Analog Devices Website bietet umfangreiche Anwendungshinweise und Design-Tools für aktuelle Spiegelschaltungen. Texas Instruments bietet umfassende analoge Design-Anleitungen zu aktuellen Quellen und Verzerrungstechniken.

Für praktisches Lernen bietet das Breadboarding einfacher Stromspiegelschaltungen mit diskreten Komponenten eine unschätzbare Intuition. Beginnen Sie mit einem einfachen Zwei-Transistor-Spiegel mit angepassten Kleinsignaltransistoren wie dem BC547 oder 2N3904. Messen Sie die Leistung und implementieren Sie dann schrittweise verbesserte Topologien, um die Vorteile aus erster Hand zu beobachten.

Moderne Simulatoren umfassen Monte-Carlo-Analysen zur Bewertung der Auswirkungen von Bauteiltoleranzen, Temperaturschwankungen für die thermische Charakterisierung und Wechselstromanalysen für den Frequenzgang. Diese Werkzeuge helfen, Designs zu optimieren und mögliche Probleme frühzeitig im Entwicklungsprozess zu identifizieren.

Schlussfolgerung

BJT-Stromspiegel stellen grundlegende Bausteine im analogen Schaltungsdesign dar und bieten elegante Lösungen für die Stromreplikation, Vorspannung und aktive Belastung. Während die grundlegende Zwei-Transistor-Konfiguration einen einfachen Ausgangspunkt bietet, ermöglicht das Verständnis der Einschränkungen und verfügbaren Verbesserungen es Designern, geeignete Topologien für bestimmte Anwendungen auszuwählen.

Von einfachen Biasing-Netzwerken bis hin zu hochentwickelten Operationsverstärkern ermöglichen Stromspiegel eine Funktionalität, die mit passiven Komponenten allein nicht praktikabel oder unmöglich wäre. Die Fähigkeit, präzise, stabile Ströme mit minimaler Siliziumfläche zu erzeugen, macht Stromspiegel für moderne integrierte Schaltungen unverzichtbar.

Erfolg beim Design von Stromspiegeln erfordert Aufmerksamkeit für Transistoranpassung, Wärmemanagement, Layouttechniken und Betriebsbedingungen. Durch die Anwendung der in diesem Handbuch beschriebenen Prinzipien und Berechnungen können Ingenieure robuste Stromspiegel entwerfen, die anspruchsvolle Leistungsspezifikationen für Temperatur, Prozessvariationen und Betriebsbedingungen erfüllen.

Da die Halbleitertechnologie sich weiter in Richtung niedrigerer Spannungen und kleinerer Geometrien entwickelt, entwickelt sich das Design von Stromspiegeln, um neue Herausforderungen zu bewältigen Niederspannungstopologien, digitale Kalibriertechniken und fortschrittliche Kompensationsverfahren stellen sicher, dass Stromspiegel in Analog- und Mixed-Signal-Systemen der nächsten Generation relevant und effektiv bleiben.