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Comprendre les miroirs actuels de BJT

Un miroir courant est un circuit conçu pour copier un courant à travers un dispositif actif en contrôlant le courant dans un autre dispositif actif d'un circuit, en maintenant le courant de sortie constant indépendamment du chargement. Ces éléments de construction fondamentaux sont essentiels dans la conception de circuits intégrés analogiques, servant de rôles critiques dans les réseaux biaisants, les charges actives et les applications de régulation actuelles.

Le courant bipolaire le plus simple implémente cette idée et se compose de deux transistors en cascade agissant en conséquence comme convertisseurs inversés et directs de tension au courant. La configuration de base implique généralement deux transistors assortis, un transistor établissant le courant de référence et l'autre le miroir. La simple deux transistors implémentation du miroir courant est basée sur la relation fondamentale que deux transistors de taille égale à la même température avec le même VBE pour un BJT ont le même courant de drainage ou de collecteur.

Le principe de fonctionnement repose sur la relation exponentielle entre la tension de base-émateur et le courant collecteur dans les transistors bipolaires de jonction. L'émetteur du transistor Q1 est connecté au sol, son collecteur et sa base sont reliés ensemble, de sorte que sa tension de base de collecteur est nulle, et par conséquent, la chute de tension sur le Q1 est VBE, c'est-à-dire que cette tension est réglée par la loi de la diode et que le Q1 est dit être connecté à la diode.

Principes fondamentaux de conception

Exigences relatives au couplage des transistors

Il est important d'avoir Q1 dans le circuit au lieu d'une diode simple, car Q1 définit VBE pour transistor Q2. Si Q1 et Q2 sont appariés, c'est-à-dire ont essentiellement les mêmes propriétés de l'appareil, et si la tension de sortie du miroir est choisie de sorte que la tension de base du capteur de Q2 est également nulle, alors la valeur de VBE définie par Q1 donne un courant émetteur dans le Q2 correspondant qui est le même que le courant émetteur dans Q1.

La température étant un facteur dans l'équation de la « diode », et nous voulons que les deux jonctions PN se comportent de façon identique dans toutes les conditions de fonctionnement, nous devons maintenir les deux transistors à exactement la même température. Ceci est facilement fait en utilisant des composants discrets en collant les boîtiers de deux transistors dos à dos. Si les transistors sont fabriqués ensemble sur une seule puce de silicium (en tant que circuit intégré, ou IC), les concepteurs devraient localiser les deux transistors proches les uns des autres pour faciliter le transfert de chaleur entre eux.

Pour les applications ci-dessus, il est recommandé d'utiliser deux BJT (deux BJT assemblés en un seul paquet) ce qui garantit que la température des deux matrices sera presque identique parce que les deux transistors sont physiquement adjacents les uns aux autres. En outre, l'utilisation de dispositifs assortis garantit que les paramètres électriques de la paire de transistors sont presque identiques, assurant un comportement presque parfaitement symétrique.

Élargissement et gain actuels

Si les transistors Q1 et Q2 de la figure 11.4 sont identiques (qui ont la même taille d'émetteur et donc l'IS égal) le rapport de courant d'entrée à courant de sortie ou gain est idéalement 1. Il y a souvent des occasions où un gain autre qu'un est nécessaire. Lorsque les circuits de construction à partir de dispositifs discrets seulement des rapports entiers simples sont possibles tandis que dans les circuits intégrés microélectroniques il est possible de faire des transistors avec des zones d'émetteur arbitraires, A.

Si Q2 et Q3 sont des transistors à surface égale, les courants de charge Iload seront égaux. Si nous avons besoin d'un 2·Iload, parallèle Q2 et Q3. Mieux encore fabriquer un transistor, disons Q3 avec deux fois la surface de Q2. Courant I3 sera alors deux fois I2. En d'autres termes, charger des balances de courant avec la zone de transistor. Cette capacité de mise à l'échelle rend les miroirs de courant extrêmement polyvalents pour générer de multiples courants de biais à partir d'une seule référence.

Processus de calcul étape par étape

Détermination de la référence actuelle

Le processus de conception commence par sélectionner le courant de référence en fonction des exigences du circuit. Le courant de référence est généralement établi à l'aide d'une résistance connectée entre la tension d'alimentation et le transistor connecté à diode.

RREF = (V[CC[ – VBE[) / I[REF

Lorsque VCC est la tension d'alimentation, V[BE[ est la tension de base-émateur (généralement 0,6-0,7V pour les BJT de silicium), et I[REF est le courant de référence désiré.

Exemple de conception pratique

Concevons un miroir courant pratique pour un courant de sortie de 1mA à partir d'une alimentation 12V. Set Iref = Iout = 1mA (pour un miroir 1:1). Nous voulons qu'Iref passe par Rref de VCC. Rref = (VCC – VBE) / Iref = (12 – 0,7) / 0,001 = 11,3V / 1mA = 11,3 k

Utilisez la valeur standard la plus proche : 11k. (Dif Iref = 1.027mA). La série E12 donne 1.13mA – acceptable pour la plupart des applications. Ceci démontre l'approche pratique de l'utilisation des valeurs de résistance standard et de l'acceptation de petites déviations par rapport aux valeurs de conception idéales.

Critères de sélection des transistors

Pour un miroir courant de 1mA, presque tout transistor NPN à petit signal fonctionne. Exigences clés : VCEO ≥ VCC (12V dans cet exemple) — la plupart des transistors à petit signal sont classés 25V–40V minimum · IC max ≥ Iout avec marge de sécurité (p. ex., les poignées BC547 100mA, les poignées faciles 1mA) Haute hFE (gain courant) — réduit l'erreur de courant de base (voir section limitations)

Comptabilisation de l'erreur actuelle de base

Étant donné que Vbe et bêta pour les deux transistors sont les mêmes, le courant de base pour chaque transistor doit également être le même. Puisque les transistors sont exploités dans leurs régions linéaires, le courant passant par Rp est divisé entre le collecteur et la branche alimentant les deux bases. Cette erreur de courant de base représente l'une des principales limitations du miroir de courant de base à deux transistors.

La relation actuelle de sortie qui comptabilise la bêta finie (β) peut être exprimée comme suit:

IOUT = I[REF × β2/(β2 + 2β)

Notez que cette équation prédit que IO < IREF sauf β → . Pour les transistors typiques avec β = 100, cela entraîne une erreur d'environ 2% dans le courant miroir.

Caractéristiques et limites de performance

Impédance à la production

Une caractéristique importante du miroir actuel est une résistance de sortie relativement élevée qui permet de maintenir le courant de sortie constant, indépendamment des conditions de charge. La seconde est sa résistance de sortie en courant alternatif, qui détermine combien le courant de sortie varie avec la tension appliquée au miroir.

Un miroir courant a une impédance de sortie élevée parce que son noeud de sortie est configuré de sorte que les changements de tension de sortie ne produisent que de petits changements dans le courant de sortie. Une impédance de sortie élevée provient de la physique de l'appareil et de la topologie du circuit qui découple le courant de la tension à la sortie du miroir.

Résistance aux effets et aux extrants précoces

Si le VCB est supérieur à zéro dans le transistor de sortie Q2, le courant collecteur dans Q2 sera un peu plus grand que Q1 en raison de l'effet Early. L'un des défauts de la pommade est l'effet Early de la tension du collecteur sur le courant collecteur. Il peut parfois être estimé à partir des paramètres de la feuille de données si l'admission de sortie (hoe) est spécifiée (Ee ~ hoe / test current). Une valeur représentative est de 1% par volt.

Comme l'effet Early a été négligé dans la résolution pour IO, la résistance de sortie est infinie. Si nous incluons l'effet Early et supposons qu'il a un effet négligeable dans la solution pour IO, la résistance de sortie est donnée par la tension de sortie divisée par le courant de sortie. Cette résistance de sortie finie fait varier légèrement le courant miroir avec les variations de tension de sortie.

Tension de conformité

La chute de tension minimale sur la partie sortie du miroir nécessaire pour le faire fonctionner correctement. Cette tension minimale est dictée par la nécessité de garder le transistor de sortie du miroir en mode actif. La gamme de tensions où le miroir fonctionne est appelée la plage de conformité et la tension marquant la limite entre le bon et le mauvais comportement est appelée la tension de conformité.

Il est nécessaire de garder le transistor de sortie (BJT) hors de saturation, VCB = 0 V. Ou d'un autre point de vue, ne pas permettre à la jonction de base du collecteur de faire avancer le biais. Cela signifie que la tension de sortie la plus basse qui donne le courant de sortie correct, la tension de conformité, est VOUT = VCV = VBE dans des conditions de biais avec le transistor de sortie au niveau du courant de sortie IC et avec VCB = 0 V

Sensibilité à la température

Le miroir courant est souvent utilisé dans les circuits bipolaires tels que les circuits d'amplificateur bipolaires basse tension. un problème dans les applications basse tension provient de variations de tension de base-émateur, V être, avec la température, qui peut affecter négativement un courant de référence et un courant miroir. le courant par le transistor Q rf augmente lorsque V est réduit à environ −2 mV/° C. pour un transistor bipolaire en silicium ou −1 mV/° C. pour un transistor bipolaire hétérojonctif GaAs.

Dans cet article, on propose une référence précise du courant à l'aide d'un miroir de compensation de température et de processus (TPC-CM). Le courant de référence indépendant de température est généré par un summit proportionnel au courant de température absolue (PTAT) et un complément au courant de température absolue (CTAT).

Amélioration des topologies actuelles des miroirs

Dégénérescence des émetteurs

d'obtenir une meilleure correspondance entre les courants d'entrée et de sortie est d'utiliser des résistances série émettrices sur les transistors. Si le courant d'un transistor augmente, il provoque une augmentation de la tension sur sa résistance émettrice, ce qui entraîne une diminution de sa tension de base-émateur. Cela provoque une diminution du courant, ce qui fait que les deux transistors ont des courants plus égaux. Une valeur typique pour les résistances émettrices peut être 100 .

Une première étape consiste à connecter les résistances aux émetteurs (ou aux sources, dans le cas des transistors MOS), comme l'illustre la figure 4-7. Avec les résistances de 6 k. , nous décrochons 300 mV à travers les résistances. Si le courant en Q2 veut être supérieur à I1, il provoquerait également une baisse de tension plus élevée à travers R2. Cette baisse de tension accrue à travers R2 a réduit la tension de base-émulateur (VBE) de Q2. Cet effet de rétroaction négatif force I2 à revenir à l'endroit où elle est plus ou moins égale à I1.

Lorsqu'un transistor non assorti (généralement discret) est utilisé pour un miroir, on sait depuis longtemps que la dégénérescence des émetteurs résistifs donne un résultat beaucoup plus prévisible et une impédance de sortie plus élevée, en luttant contre l'effet précoce.

Rémunération actuelle de base

La figure 3 montre le miroir de courant de base avec un troisième transistor ajouté. Figure 3 : Miroir avec compensation du courant de base. Cette configuration à trois transistors réduit de façon significative l'erreur de courant de base qui affecte la conception de base à deux transistors.

La figure 11.8 montre un miroir où le simple fil reliant le capteur de Q1 à sa base est remplacé par un tampon de suivi de l'émetteur. Cette amélioration du miroir de courant simple est appelée miroir augmenté de l'émetteur. Le gain de courant (ßQ3) de l'étape tampon de l'émetteur de suivi (Q3) réduit considérablement l'erreur de gain causée par les courants de base finis de Q1 et Q2.

Miroir actuel Wilson

Le circuit est nommé en l'honneur de George R. Wilson, ingénieur en conception de circuits intégrés qui a travaillé pour Tektronix. Wilson a conçu cette configuration en 1967 quand lui et Barrie Gilbert se sont mis au défi de trouver un miroir de courant amélioré pendant la nuit qui n'utiliserait que trois transistors. Wilson a remporté le défi.

Le miroir Wilson présente les avantages particuliers par rapport aux alternatives qui : L'erreur statique, la différence de courant entrée-sortie, est réduite à de très petits niveaux attribuables presque entièrement à des erreurs d'appariement aléatoire de l'appareil tandis que l'impédance de sortie est soulevée par un facteur de ... Le circuit utilise des ressources minimales.

Supprime l'inadéquation du courant de base : Contrairement aux conceptions de miroirs simples, la configuration Wilson est proche d'éliminer les erreurs de balance de courant de base. Cela donne une précision de courant de sortie proche de la référence de courant d'entrée. Impédance de sortie élevée : Le circuit utilise une impédance de sortie très élevée en raison de la rétroaction négative de la base T3 à T1, bien supérieure aux miroirs de courant simples à deux transistors.

Une amélioration encore plus grande peut être faite avec l'ajout d'un transistor. Ce circuit, inventé par George Wilson, est naturellement appelé le miroir courant Wilson (les concepteurs d'analogues ne reçoivent pas les prix Nobel, ils obtiennent un circuit nommé d'après eux).

Miroir Wilson amélioré

En ajoutant un quatrième transistor au miroir simple du courant Wilson à la figure 11.10, nous avons le miroir Wilson modifié ou amélioré. L'entrée améliorée pour la précision du courant de sortie est accomplie en égalisant les tensions de collecteur Q1 et Q2 à 1 VBE. Cela laisse les différences finies ß et de tension de chacun des Q1 et Q2 comme les autres influences non équilibrage dans le miroir.

Il y a encore une erreur systématique dans le miroir courant Wilson de base : les deux transistors destinés à correspondre n'ont pas les mêmes tensions de collecteur. Un transistor est à VBE; l'autre est à 2VBE. Entrez un quatrième transistor (figure 4-12). Le seul but du Q4 est de réduire la tension de collecteur de Q1 au même niveau que celui de Q2.

Source actuelle de Widlar

Une source de courant Widlar est une modification du miroir de courant à deux transistors de base qui intègre une résistance à la dégénérescence de l'émetteur pour seulement le transistor de sortie, permettant à la source de générer des courants faibles en utilisant seulement des valeurs de résistance modérées. Ce circuit est nommé pour son inventeur, Robert Widlar, et a été breveté en 1967. Le circuit Widlar peut être utilisé avec des transistors bipolaires ou des transistors MOS. Une application exemple est dans l'amplificateur opérationnel maintenant célèbre uA741 et Widlar a utilisé le circuit dans plusieurs de ses conceptions.

La figure 11.11 est un exemple de source de courant Widlar utilisant des transistors bipolaires, où la résistance de l'émetteur R2 est connectée en série avec l'émetteur du transistor de sortie Q2, et a pour effet de réduire le courant en Q2 par rapport à Q1. Cette topologie est particulièrement utile lorsque des courants de sortie très faibles sont requis sans utiliser des valeurs de résistance de taille irréalisable.

Miroir actuel de code Cas

La configuration du miroir courant en cascode empile des transistors supplémentaires pour augmenter considérablement l'impédance de sortie. Cascoding multiplie la résistance de sortie lorsque la Rout est nécessaire. Miroir Cascode : Rout augmente approximativement par le facteur de gain intrinsèque du cascode, produisant Rout >> ro d'un seul appareil.

Le code de caisse augmente l'impédance de sortie d'environ deux ordres de grandeur, améliorant grandement les performances. Il permet également aux Q1 et Q2 d'avoir des conditions de fonctionnement très similaires, ce qui améliore également les performances.

La principale limitation du miroir en cascade BJT est que l'erreur systématique de gain découlant de la bêta finie était grande. Pour surmonter cette limitation, le miroir wilson est utilisé. Le choix entre les configurations en cascade et Wilson dépend des exigences spécifiques de l'application et des priorités de performance.

Applications des miroirs de courant BJT

Réseaux de la partialité

Le miroir actuel est utilisé pour fournir des courants de biais et des charges actives aux circuits. Les miroirs courants sont largement utilisés pour établir des points d'exploitation stables pour les transistors dans les stades d'amplificateur.

Si les résistances peuvent être fabriquées en IC, il est plus facile de fabriquer des transistors. Les concepteurs d'IC évitent certaines résistances en remplaçant les résistances de charge par des sources de courant. Un circuit comme un amplificateur opérationnel construit à partir de composants discrets aura quelques transistors et de nombreuses résistances. Une version de circuit intégré aura de nombreux transistors et quelques résistances. Cette différence fondamentale conduit à l'utilisation généralisée des miroirs de courant dans la conception de circuit intégré.

Charges actives dans les amplificateurs différentiels

De nombreux amplificateurs IC utilisent des charges BJT à la place de la résistance à la charge, RC. La résistance à la charge BJT est généralement connectée comme source à courant constant avec une charge de résistance très élevée (résistance à la sortie de la source actuelle) • Résistance à la charge plus élevée, gain de sortie plus élevé.

Un amplificateur différentiel est équipé de deux transistors BJT Q1 et Q2 dont les bornes émettrices sont reliées ensemble et à une source de courant. Lorsqu'on utilise des BJT étroitement appariés, l'amplification en mode commun est extrêmement petite et si ces dispositifs sont couplés thermiquement étroitement, les changements de température n'ont que le même effet que l'application d'une tension d'entrée en mode commun à changement lent.

La charge active du miroir produit une impédance interne très élevée, contribuant ainsi à un gain différentiel très élevé. Cette configuration est fondamentale pour les phases d'entrée de l'amplificateur opérationnel et d'autres circuits analogiques à haut gain.

Conception de l'amplificateur opérationnel

La plupart des amplificateurs opérationnels modernes utilisent un amplificateur différentiel avant. En d'autres termes, la première étape de l'amplificateur opérationnel est un amplificateur différentiel. Les miroirs actuels jouent plusieurs rôles critiques dans la conception de l'amplificateur opérationnel, y compris les sources de courant de queue pour les paires différentielles, les charges actives pour les stades de gain de tension et le biais de sortie de l'étape.

Souvent, la charge de capteur d'un transistor n'est pas une résistance mais un miroir courant. Par exemple, la charge de capteur du capteur Q4, Ch 8 est un miroir courant (Q2). Pour un exemple de miroir courant avec collecteur multiple, les sorties voir Q13 dans le modèle 741 op-amp, Ch 8. Les sorties de courant du miroir Q13 remplacent les résistances comme charges de collecteur pour Q15 et Q17.

Direction et traitement des signaux actuels

Les miroirs actuels permettent des techniques de direction avancées dans les multiplicateurs analogiques, les convertisseurs numériques à analogiques et d'autres circuits analogiques de précision. Convertisseurs numériques à analogiques : Les miroirs courants peuvent être utilisés dans les circuits convertisseurs numériques à analogiques pour fournir une source de courant précise proportionnelle au code d'entrée numérique.

Dans les multiplicateurs analogiques et les amplificateurs à gain variable, les miroirs actuels permettent un contrôle précis des courants de signal tout en maintenant une linéarité élevée et une faible distorsion. La capacité d'écheller les courants par rapport de surface transistor rend les miroirs courants idéals pour la mise en œuvre de sources de courant pondérées dans les réseaux d'échelles DAC.

Régulateurs de tension et références

Régulateurs de tension: Les miroirs de courant peuvent être utilisés dans les circuits de régulateur de tension pour fournir un courant constant à une charge, indépendamment des changements de tension d'entrée ou de résistance à la charge.

Les miroirs actuels servent également de base aux régulateurs à faible écoulement (LDO), fournissant des courants de biais stables pour les amplificateurs d'erreur et les transistors de passage tout en maintenant des rapports de rejet d'alimentation élevés.

Applications de détection actuelles

De nombreuses applications, comme les véhicules électriques (EV) ou les véhicules à hybridation légère (HEV), exigent que le courant de charge soit tiré d'une batterie à proximité de la batterie elle-même. Le courant doit être converti en une tension qui se situe dans la plage d'entrée d'un convertisseur analogique-numérique (ADC) ou d'un microcontrôleur et doit donc avoir une petite grandeur. Cela peut être fait à l'aide du circuit de détection de courant indiqué à la figure 5, où V1 représente la tension de 48 V de la batterie et I1 est le courant de charge tiré de celle-ci.

Pilotes LED et applications d'affichage

Réglez un courant précis à travers une LED utilisant un miroir de courant. Contrairement à une simple résistance (dont le courant change avec la tension d'alimentation et la variation de la VF LED), un miroir de courant maintient exactement le courant de réglage, indépendamment des fluctuations de l'alimentation, rendant la luminosité LED cohérente. Cette application est particulièrement importante dans les systèmes de rétroéclairage d'affichage, les voyants et les systèmes d'éclairage automobile où la luminosité cohérente est critique.

Considérations de conception et pratiques exemplaires

Techniques de mise en page pour le jumelage

Par exemple, les modèles Q1 et Q2 peuvent être mis en œuvre comme une paire de transistors parallèles disposés comme un quad croisé dans une configuration commune-centrique pour réduire les effets des gradients locaux dans le gain courant. Si le miroir doit être utilisé à un niveau de biais fixe, des résistances correspondantes dans les émetteurs de cette paire peuvent transférer une partie du problème correspondant des transistors à ces résistances.

Les paires de matrices de chaque emballage sont récoltées spécifiquement dans la même zone de la galette afin de minimiser les écarts dans le processus de fabrication. Dans la conception de circuits intégrés, les techniques de mise en page communes et les structures transistors interdigitées aident à minimiser les effets des gradients de processus et des gradients thermiques à travers la matrice.

Gestion thermique

De plus, Q2 peut être beaucoup plus chaud que Q1 en raison de la dissipation de puissance plus élevée associée. Pour maintenir la correspondance, la température des transistors doit être presque la même. Dans les circuits intégrés et les réseaux de transistors où les deux transistors sont sur la même matrice, cela est facile à réaliser.

Pour les applications discrètes, la proximité physique et le couplage thermique sont essentiels. La mise en place de transistors assortis sur le même puits de chaleur ou l'utilisation de paquets de double transistor assure le suivi thermique.

Considérations relatives à l'alimentation électrique

La tension minimale d'alimentation d'un miroir de courant doit être adaptée à la tension de conformité et à toute chute de tension à travers les résistances de réglage de courant. Pour les miroirs de base, cela nécessite généralement au moins V[BE[ + VCE,sat[, environ 1V pour les BJT de silicium.

Le bruit d'alimentation peut s'associer au courant de référence, ce qui dégrade les performances du miroir. Des condensateurs de découplage appropriés et une conception prudente du réseau de distribution d'électricité réduisent ces effets.

Réponse et stabilité de la fréquence

Problèmes de réponse de fréquence : L'opération à haute fréquence crée une instabilité dans la boucle de rétroaction négative. Les capacités parasitaires des transistors, en particulier la capacité de collecte de base, peuvent créer des pôles dans la fonction de transfert qui limitent la bande passante ou causent une instabilité dans les configurations de rétroaction.

Une autre conséquence de l'ajout du tampon de suivi de l'émetteur est, en général, une perte de la réponse de fréquence du miroir. Transistor Q3 fonctionne potentiellement à un très petit courant de 2IB. S'il devait y avoir une capacité importante de se poser à la connexion de base commune à Q1 et Q2 le courant disponible pour décharger ce courant sera également petit égal à 2IB. Une attention attentive aux capacités parasitaires et aux courants de fonctionnement est essentielle pour les applications à haute fréquence.

Thèmes avancés et développements modernes

Opération à basse tension

Cette différence est accrue lorsque les transistors partagent un terminal commun et que l'effet corporel de M4 augmente sa tension seuil. Du côté de la sortie du miroir, la tension minimale au sol est ... Cette tension est susceptible d'être significativement supérieure à 1,0 volts. Les deux différences potentielles laissent une marge de tête insuffisante pour le circuit qui fournit le courant d'entrée et utilise le courant de sortie à moins que la tension d'alimentation ne dépasse 3 volts. De nombreux circuits intégrés contemporains sont conçus pour utiliser des alimentations basse tension pour répondre aux limites des transistors à canaux courts, pour répondre au besoin de dispositifs fonctionnant à la batterie et pour avoir une grande efficacité énergétique en général.

Les modèles modernes à basse tension utilisent des topologies spécialisées qui réduisent au minimum les exigences de la tête de la tension tout en maintenant des performances adéquates, notamment des miroirs à gain de fonctionnement, des configurations en cascade réglementées et des schémas de biais adaptatifs qui optimisent les performances sur différentes tensions d'alimentation.

Techniques de rémunération des processus

Pour étalonner la variation de processus, le PTC-CM proposé utilise deux miroirs binaires de courant pondéré qui contrôlent le coefficient de température et l'amplitude du courant de référence. Après la mesure des courants PTAT et STAT, les codes de commutation du PTC-CM sont fixés de façon à ce que l'ampleur du courant de référence soit indépendante de la température. Et, les codes sont stockés dans la mémoire non volatile. Dans la simulation, l'effet de la variation de processus est réduit à 0,52 %, de 19,7 % après l'étalonnage à l'aide d'un PTC-CM dans la puce par puce.

Les techniques numériques de parage et d'étalonnage permettent aux miroirs modernes d'atteindre des niveaux de précision qui étaient auparavant inaccessibles. En mesurant et en compensant les variations de processus au cours des essais de production, les fabricants peuvent garantir des spécifications strictes sur tous les lots de production et les conditions d'exploitation.

Conceptions d'impédance à haute production

Le miroir actuel est l'un des éléments clés de la conception de circuits analogiques. Pour les applications de circuits analogiques haute performance, la précision et l'impédance de sortie sont les paramètres les plus importants pour déterminer la performance du miroir courant. Dans cet article, un nouveau miroir courant est proposé pour fournir une précision et une impédance de sortie très élevées. Un nouveau stade de gain de rétroaction est utilisé pour augmenter l'impédance de sortie et la précision correspondante significativement.

Les topologies avancées utilisent de multiples boucles de rétroaction et des techniques de gain-d'entraînement pour réaliser des impédances de sortie dans la gamme gigaohm. Ces miroirs ultra-hauts impédance sont essentiels pour l'instrumentation de précision, les convertisseurs de données haute résolution et d'autres applications où la qualité de la source actuelle affecte directement les performances du système.

Dépannage et pièges communs

Questions de compromis

k1 est appelé le facteur courant et idéalement, il devrait avoir une valeur de 1 ou une autre valeur déterminée par le rapport entre les valeurs sélectionnées pour R1 et R2. IOUT devrait suivre IIN dans la gamme de valeurs de courant d'entrée requise par la conception, cependant, même de petites différences dans les caractéristiques physiques des BJT, comme par exemple, s'ils ont des valeurs différentes de VBE et/ou hfe alors k1 va s'écarter de la valeur désirée. Cela rend plus difficile de contrôler précisément IOUT et donc de définir le comportement du circuit qu'il biaise.

Lors du dépannage des circuits miroirs courants, vérifiez que les transistors sont correctement appariés et fonctionnent dans leurs régions actives. Mesurez les tensions V[BE pour confirmer l'appariement, et vérifiez les tensions de collecteur pour s'assurer qu'aucun transistor n'est entré dans la saturation.

Saturation et conformité

L'une des défaillances les plus courantes des circuits miroirs courants se produit lorsque le transistor de sortie entre en saturation en raison d'une tension de capteur-émetteur insuffisante. Cela se produit généralement lorsque la résistance à la charge est trop grande ou la tension d'alimentation trop basse.

Dans les circuits à charges variables, des violations dynamiques de conformité peuvent se produire pendant les transitoires. L'ajout de condensateurs de contournement et la garantie de marges de tension adéquates préviennent ces problèmes.

oscillation et instabilité

Les miroirs courants avec rétroaction, en particulier les configurations Wilson, peuvent osciller si les capacités parasitaires créent un décalage de phase excessif. Les petits condensateurs de compensation sur les nœuds critiques peuvent stabiliser le circuit. Cependant, la compensation excessive dégrade la réponse de fréquence, nécessitant une optimisation soigneuse.

Les boucles au sol et le découplage de l'alimentation électrique médiocre peuvent injecter du bruit dans le courant de référence, provoquant des variations de courant de sortie. Les techniques de mise à la terre des étoiles et les condensateurs de découplage locaux minimisent ces effets.

Mesure et caractérisation

Caractérisation des DC

Pour caractériser pleinement un miroir de courant, mesurez la tension de courant de sortie par rapport à la tension de sortie sur toute la plage de conformité. Cette courbe I-V révèle la tension de conformité, l'impédance de sortie et tout comportement non idéal.

La caractérisation de la température nécessite des mesures dans la plage de température spécifiée, généralement de -40°C à +125°C pour des applications commerciales. Courant de sortie du lot par rapport à la température à un courant de référence fixe et tension de sortie pour quantifier le coefficient de température.

Performance AC

L'analyse AC à petits signaux révèle des pôles et des zéros dans la fonction de transfert. Pour les miroirs utilisés dans des applications dynamiques, les mesures transitoires de réponse montrent des caractéristiques de temps de décantation et de dépassement.

Les mesures de bruit sont essentielles pour les applications de précision. Mesurez la densité spectrale du bruit de courant de sortie dans la gamme de fréquences d'intérêt. Le bruit de flicker domine aux basses fréquences, tandis que le bruit thermique fixe le plancher de bruit à des fréquences plus élevées.

Ressources pratiques en conception

Pour les ingénieurs qui conçoivent des miroirs de courant BJT, plusieurs ressources excellentes fournissent une profondeur supplémentaire et des conseils pratiques.Le site Appareils analogiques offre des notes d'application et des outils de conception détaillés pour les circuits de miroirs de courant. Texas Instruments fournit des guides de conception analogiques complets couvrant les sources actuelles et les techniques de biais.

Pour l'apprentissage pratique, le tableau de bord simple des circuits miroirs à courant avec des composants discrets fournit une intuition inestimable. Commencez par un miroir à deux transistors de base utilisant des transistors à petits signaux assortis comme le BC547 ou le 2N3904. Mesurez les performances, puis implémentez progressivement des topologies améliorées pour observer les avantages de première main.

Les simulateurs modernes comprennent l'analyse Monte Carlo pour évaluer les effets des tolérances aux composants, les balayages de température pour la caractérisation thermique et l'analyse AC pour la réponse aux fréquences. Ces outils aident à optimiser les conceptions et à identifier les problèmes potentiels au début du processus de développement.

Conclusion

Les miroirs de courant BJT représentent des éléments de construction fondamentaux dans la conception de circuits analogiques, offrant des solutions élégantes pour la réplication actuelle, le biais et la charge active.

Des réseaux de biais simples aux amplificateurs opérationnels sophistiqués, les miroirs actuels permettent des fonctionnalités qui seraient impossibles ou peu pratiques avec des composants passifs seuls. La capacité de générer des courants précis et stables avec une surface de silicium minimale rend les miroirs courants indispensables dans la conception moderne de circuits intégrés.

La réussite avec la conception actuelle des miroirs exige une attention particulière à la combinaison des transistors, à la gestion thermique, aux techniques de mise en page et aux conditions de fonctionnement.

La technologie des semi-conducteurs continue de progresser vers des tensions plus basses et des géométries plus petites, la conception actuelle des miroirs évolue pour relever de nouveaux défis.