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Comprendere gli specchi correnti BJT

Uno specchio corrente è un circuito progettato per copiare una corrente attraverso un dispositivo attivo controllando la corrente in un altro dispositivo attivo di un circuito, mantenendo la corrente di uscita costante indipendentemente dal caricamento. Questi blocchi fondamentali di costruzione sono essenziali nel design di circuiti integrati analogici, servendo ruoli critici nelle reti di biasing, carichi attivi e applicazioni di regolazione corrente.

Lo specchio corrente bipolare più semplice implementa questa idea e consiste in due fasi di transistor cascaded che agiscono come convertitori invertiti e diretti di volta in volta a corrente alternata. La configurazione di base comprende tipicamente due transistor abbinati, con un transistor che stabilisce la corrente di riferimento e l'altro che lo rispecchia. La semplice implementazione di due transistor dello specchio corrente si basa sul rapporto fondamentale che due transistor di uguale dimensione con la stessa temperatura con lo stesso BJT di scarico corrente per lo stesso VBE.

Il principio operativo si basa sul rapporto esponenziale tra tensione di base-emettitore e corrente collettore in transistor bipolare di giunzione. L'emettitore di transistor Q1 è collegato a terra, il suo collettore e la base sono legati insieme, quindi la sua tensione di base collettore-base è zero, e di conseguenza, la caduta di tensione attraverso Q1 è VBE, cioè, questa tensione è impostata dalla legge diode e Q1 corrente di connessione.

Principi fondamentali del design

Transistor Requisiti di corrispondenza

È importante avere Q1 nel circuito invece di un semplice diodo, perché Q1 imposta VBE per transistor Q2. Se Q1 e Q2 sono abbinati, cioè hanno sostanzialmente le stesse proprietà del dispositivo, e se la tensione di uscita dello specchio viene scelta in modo che la tensione di base del collettore di Q2 sia pari allo zero, allora il valore VBE impostato da Q1 risultati in una corrente di emettitore corrispondente Q2 che è la stessa corrente di emitter1.

Poiché la temperatura è un fattore nell'equazione del diodo, e vogliamo che i due incroci PN si comportino in modo identico in tutte le condizioni operative, dovremmo mantenere i due transistor esattamente alla stessa temperatura. Questo è facilmente fatto utilizzando componenti discreti incollando i due casi di transistor back-to-back. Se i transistor sono fabbricati insieme su un singolo chip di silicio (come un cosiddetto circuito integrato, o IC), i progettisti dovrebbero individuare i transistor vicini a due tras.

Per le applicazioni di cui sopra, si raccomanda di utilizzare due BJT (due BJT assemblati in un unico pacchetto), che assicurano che la temperatura di entrambi i detriti sia quasi identica perché i due transistor sono fisicamente adiacenti l'uno all'altro. Inoltre, utilizzando dispositivi abbinati garantisce che i parametri elettrici della coppia transistor siano quasi identici, garantendo un comportamento quasi perfettamente simmetrico.

Scala e guadagno correnti

Se i transistor Q1 e Q2 in figura 11.4 sono identici (cioè hanno lo stesso formato e quindi uguale IS) la corrente di ingresso a rapporto corrente di uscita o guadagno è idealmente 1. Ci sono spesso occasioni quando un guadagno diverso da uno è richiesto. Quando la costruzione di circuiti da dispositivi discreti solo i rapporti interi semplici sono possibili mentre in circuiti integrati microelettronici è possibile fare transistor con aree di emettitore arbitrario, A.

Se Q2 e Q3 sono transistor di pari area, le correnti di carico Iload saranno uguali. Se abbiamo bisogno di un 2·Iload, parallelo Q2 e Q3. Meglio ancora fabbricare un transistor, diciamo Q3 con il doppio della superficie Q2. La corrente I3 sarà quindi due volte I2. In altre parole, caricare le scale correnti con l'area di transistor. Questa capacità di scaling rende gli specchi attuali estremamente versatili da una corrente di riferimento.

Processo di calcolo passo-passo

Determinazione della Corrente di Riferimento

Il processo di progettazione inizia con la selezione della corrente di riferimento basata sui requisiti del circuito. La corrente di riferimento è tipicamente stabilita utilizzando un resistore collegato tra la tensione di alimentazione e il transistor collegato al diodo. Per uno specchio corrente di base, il valore di resistenza di riferimento viene calcolato utilizzando il rapporto fondamentale:

R]REF[ = (VCC[[ – VBE]]] []] ]]]]

Dove V]CC[] è la tensione di alimentazione, V[BE[] è la tensione di base-emettitore (tipicamente 0.6-0.7V per BJT di silicio), e IREF]] è la corrente di riferimento desiderata.

Esempio di progettazione pratica

Progettiamo uno specchio corrente pratica per 1mA corrente di uscita da un alimentatore 12V. Impostare Iref = Iout = 1mA (per uno specchio 1:1). Vogliamo che Iref fluisca attraverso Rref da VCC. Rref = (VCC – VBE) / Iref = (12 – 0.7) / 0.001 = 11.3V / 1mA = 11.3 kΩ

Utilizzare il valore standard più vicino: 11kΩ (dando Iref = 1.027mA). La serie 10kΩ in E12 offre 1.13mA - accettabile per la maggior parte delle applicazioni. Questo dimostra l'approccio pratico di utilizzare valori di resistenza standard e accettare piccole deviazioni dai valori di progettazione ideali.

Criteri di selezione Transistor

Per uno specchio corrente 1mA, quasi tutti i transistor NPN di piccolo segno funziona. Requisiti chiave: VCEO ≥ VCC (12V in questo esempio) — la maggior parte dei transistor di piccolo segno sono classificati 25V–40V minimo · IC max ≥ Esclusione con margine di sicurezza (ad esempio BC547 maniglie 100mA, gestisce facilmente 1mA) Alta hFE (livello corrente) — riduce le limitazioni di errore di base

Contabilità per errore di base

Dato che Vbe e beta per entrambi i transistor sono uguali, la corrente di base per ogni transistor deve essere anche la stessa. Poiché i transistor sono operati nelle loro regioni lineari, la corrente attraverso Rp è divisa tra il collettore e il ramo che alimenta le due basi. Questo errore di base corrente rappresenta uno dei limiti principali dello specchio corrente di due transistor di base.

La contabilità di relazione corrente di uscita per beta finita (β) può essere espressa come:

] ] = IREF[ × β2/(β2 + 2β]

Si noti che questa equazione prevede che IO < IREF a meno che β →∞. Per i transistor tipici con β = 100, questo si traduce in circa il 2% errore nella corrente a specchio.

Caratteristiche e Limitazioni di performance

Impedenza di uscita

Una caratteristica importante dello specchio corrente è una resistenza di uscita relativamente elevata che aiuta a mantenere costante la corrente di uscita indipendentemente dalle condizioni di carico. Il secondo è la sua resistenza di uscita AC, che determina quanto la corrente di uscita varia con la tensione applicata allo specchio.

Uno specchio corrente ha un'elevata impedenza di uscita perché il suo nodo di uscita è configurato in modo che i cambiamenti nella tensione di uscita producono solo piccoli cambiamenti nella corrente di uscita. L'elevata impedenza di uscita deriva dalla fisica del dispositivo e dalla topologia del circuito che decouples corrente dalla tensione all'uscita dello specchio.

Resistenza all'effetto precoce e all'uscita

Se VCB è maggiore di zero nel transistor di uscita Q2, la corrente del collettore in Q2 sarà un po 'più grande di Q1 a causa dell'effetto precoce. Uno dei difetti nell'unguento è l'effetto precoce della tensione del collettore sulla corrente del collettore. Può talvolta essere stimato dai parametri del foglio di dati se l'ammissione di uscita (hoe) è specificato (Ee ~ volt per hoe / corrente di prova).

Poiché l'effetto Early è stato trascurato nella soluzione per IO, la resistenza all'uscita è infinita. Se si include l'effetto Early e si presume che abbia un effetto trascurabile nella soluzione per IO, la resistenza all'uscita è data dalla tensione iniziale divisa dalla corrente di uscita.

Tensione di conformità

La minima tensione passa attraverso la parte di uscita dello specchio necessario per farlo funzionare correttamente. Questa tensione minima è dettata dalla necessità di mantenere il transistor di uscita dello specchio in modalità attiva. La gamma di tensioni in cui lo specchio funziona è chiamata gamma di conformità e la tensione che segna il confine tra il buon e cattivo comportamento è chiamata tensione di conformità.

È necessario mantenere il transistor di uscita (BJT) dalla saturazione, VCB = 0 V. O da un'altra prospettiva, non consentire il raccordo di base collettore a bias in avanti. Ciò significa la tensione di uscita più bassa che si traduce nella corrente di uscita corretta, la tensione di conformità, è VOUT = VCV = VBE in condizioni di polarizzazione con il transistor di uscita al livello corrente di uscita IC e con VCB = 0 VCB = VBE

Sensibilità della temperatura

lo specchio corrente è spesso utilizzato in circuiti bipolari come circuiti di amplificazione bipolare a bassa tensione. un problema nelle applicazioni a bassa tensione deriva da variazioni di tensione base-emettitore, V essere, con temperatura, che può influenzare negativamente una corrente di riferimento e una corrente specchiata. la corrente attraverso transistor Q rf aumenta come V essere ridotto a circa −2 mV/° C. per un transistor bipolare in silicio o −1 m.

In questo documento viene proposto un riferimento preciso della corrente utilizzando lo specchio corrente di compensazione della temperatura e del processo (TPC-CM) che genera la corrente di riferimento indipendente dalla temperatura, sommando una corrente proporzionale a temperatura assoluta (PTAT) e una corrente complementare a temperatura assoluta (CTAT).

Topologie attuali migliorate dello specchio

Degenerazione dell'emettitore

Se la corrente in un transistor aumenta, provoca la tensione attraverso la sua resistenza all'emettitore di aumentare, che provoca una diminuzione della tensione di base-emettitore. Ciò provoca la diminuzione della corrente, causando così i due transistor ad avere correnti più uguali. Un valore tipico per i resistori all'emettitore potrebbe essere Ω 100.

Un primo passo è quello di collegare resistenze agli emettitori (o alle fonti, nel caso dei transistor MOS), come illustrato nella Figura 4-7. Con le resistenze 6 kΩ che stiamo usando in questo esempio, cadiamo 300 mV attraverso i resistori. Se la corrente in Q2 vuole essere superiore a I1, causerebbe anche una maggiore caduta di tensione attraverso R2 indietro.

Quando i transistor non abbinati (tipicamente discreti) vengono utilizzati per uno specchio, è noto da tempo che la degenerazione resistiva all'emettitore produce un risultato molto più prevedibile e un'impedenza di uscita più elevata efficace, combattendo l'effetto Early.

Compensazione della corrente di base

Figura 3: Specchio con compensazione corrente di base. Questa configurazione a tre transistor riduce significativamente l'errore di base corrente che affligge il design a due transistor di base.

La figura 11.8 mostra uno specchio in cui il semplice filo che collega il collettore di Q1 alla sua base viene sostituito da un buffer di emettitore. Questo miglioramento allo specchio corrente semplice viene indicato come uno specchio aggrappato di emettitore. Il guadagno corrente (ßQ3) dello stadio di buffer di emettitore (Q3) riduce notevolmente l'errore di guadagno causato dalle correnti di base finite di Q1 e Q2.

Specchio corrente Wilson

Il circuito prende il nome da George R. Wilson, un ingegnere di progettazione integrata che lavorava per Tektronix. Wilson elaborò questa configurazione nel 1967 quando lui e Barrie Gilbert si sfidarono a vicenda per trovare uno specchio corrente migliorato durante la notte che avrebbe usato solo tre transistor. Wilson vinse la sfida.

Lo specchio corrente Wilson ha i vantaggi particolari rispetto alle alternative che: L'errore statico, la differenza di corrente di ingresso-uscita, è ridotto a livelli molto piccoli attribuibile quasi interamente a errori di dispositivo casuale mentre l'impedenza di uscita è sollevata da un fattore di ... Il circuito utilizza risorse minime.

Rimuove la corrente di base sbagliata: A differenza dei semplici modelli di mirror correnti, la configurazione Wilson si avvicina all'eliminazione degli errori di bilanciamento correnti di base. Questo si traduce in una precisione di uscita vicina al riferimento corrente di input.

Un miglioramento ancora maggiore può essere fatto con l'aggiunta di un transistor. Questo circuito, inventato da George Wilson, è naturalmente chiamato il Wilson Current Mirror (i designer di analoghi non ottengono premi Nobel, ottengono un circuito che prende il nome da loro).

Specchio Wilson migliorato

Aggiungendo un quarto transistor al semplice specchio corrente Wilson nella figura 11.10, abbiamo lo specchio Wilson modificato o migliorato. L'ingresso migliorato alla precisione di uscita corrente è realizzato per equalizzazione delle tensioni collettori di Q1 e Q2 a 1 VBE. Questo lascia le differenze di tensione finite ß e di ogni Q1 e Q2 come le influenze sbilancianti rimanenti nello specchio.

C'è ancora un errore sistematico nello specchio corrente Wilson di base: i due transistor destinati a abbinare non hanno le stesse tensioni di collettore. Un transistor è a VBE; l'altro è a 2VBE. Inserisci un quarto transistor (Figura 4-12). L'unico scopo di Q4 è quello di abbassare la tensione di collettore di Q1 allo stesso livello di quello di Q2.

Widlar corrente Sorgente

Una sorgente corrente Widlar è una modifica dello specchio corrente a due transistor di base che incorpora una resistenza di degenerazione emitter per solo il transistor di uscita, consentendo alla fonte corrente di generare basse correnti utilizzando solo valori di resistenza moderata. Questo circuito è chiamato per il suo inventore, Robert Widlar, e è stato brevettato nel 1967. Il circuito di Widlar può essere utilizzato con transistor bipolari o transistor MOS.

La figura 11.11 è un esempio di sorgente corrente Widlar utilizzando transistor bipolari, dove la resistenza all'emettitore R2 è collegata in serie con l'emettitore di uscita transistor Q2, e ha l'effetto di ridurre la corrente in Q2 rispetto al Q1. Questa topologia è particolarmente utile quando sono richieste correnti di uscita molto basse senza utilizzare valori di resistenza impraticabili.

Specchio corrente Cascode

La configurazione dello specchio corrente cascode impila transistor aggiuntivi per aumentare notevolmente l'impedenza di uscita. Cascoding moltiplica ulteriormente la resistenza di uscita quando è richiesto un elevato livello di Rout. Specchio Cascode: Rout aumenta approssimativamente dal fattore di guadagno intrinseco del cascode, producendo Rout >> ro di un singolo dispositivo.

Il cascode solleva l'impedenza di uscita di circa due ordini di grandezza, migliorando notevolmente le prestazioni, consentendo anche a Q1 e Q2 di avere condizioni operative molto simili, che migliorano anche le prestazioni.

La limitazione principale dello specchio cascode BJT è che l'errore di guadagno sistematico derivante dalla beta finita è stato grande. Per superare questa limitazione, viene utilizzato lo specchio wilson. La scelta tra le configurazioni cascode e Wilson dipende dalle specifiche esigenze applicative e dalle priorità di prestazione.

Applicazioni di BJT specchi correnti

Reti di Biasing

Lo specchio corrente viene utilizzato per fornire correnti di polarizzazione e carichi attivi ai circuiti. Gli specchi attuali sono ampiamente utilizzati per stabilire punti di funzionamento stabili per i transistor in fasi di amplificatore.

I progettisti IC evitano alcune resistenze sostituendo resistenze con sorgenti attuali. Un circuito come un amplificatore operativo costruito da componenti discreti avrà alcuni transistor e molti resistenze. Una versione integrata del circuito avrà molti transistor e alcuni resistenze. Questa differenza fondamentale guida l'uso diffuso degli specchi correnti nel design integrato del circuito.

Caricamento attivo in Amplificatori differenziali

Molti amplificatori IC utilizzano carichi BJT al posto della resistenza al carico, RC. BJT resistore al carico è solitamente collegato come fonte costante corrente con un carico di resistenza molto elevato (resistenza di uscita della sorgente corrente) • Maggiore resistenza al carico, maggiore guadagno di uscita.

Un amplificatore differenziale presenta due transistor BJT Q1 e Q2 i cui terminali di emettitore sono collegati tra loro e ad una fonte corrente. Quando vengono utilizzati BJT ben abbinati, l'amplificazione a movimento comune è estremamente piccola e se questi dispositivi sono strettamente accoppiati, i cambiamenti di temperatura hanno lo stesso effetto dell'applicazione di una tensione di ingresso a movimento comune in lento.

Il carico attivo dello specchio attuale produce un'impedenza interna molto elevata, contribuendo così ad un guadagno differenziale molto elevato, fondamentale per gli stadi di ingresso dell'amplificatore operativo e altri circuiti analogici ad alta guadagno.

Progettazione di amplificatori operativi

La maggior parte dei moderni amplificatori operativi utilizzano un front end dell'amplificatore differenziale, in altre parole la prima fase dell'amplificatore operativo è un amplificatore differenziale. Gli specchi attuali svolgono molteplici ruoli critici nel design op-amp, comprese le sorgenti di corrente di coda per coppie differenziali, carichi attivi per le fasi di guadagno della tensione e il biasing dello stadio di uscita.

Spesso, il carico collettore di un transistor non è un resistore ma uno specchio corrente. Ad esempio, il carico collettore del collettore Q4, Ch 8 è uno specchio corrente (Q2). Ad esempio di uno specchio corrente con collettore multiplo, le uscite vedono Q13 nel modello 741 op-amp, Ch 8. Le uscite dello specchio corrente Q13 sostituiscono resistenze come carichi da collettore per Q15 e Q17.

Elaborazione di corrente e segnale

Gli specchi attuali consentono tecniche di sterzatura attuali sofisticate nei moltiplicatori analogici, nei convertitori digitali-analogico e in altri circuiti analogici di precisione. Convertitori digitali-analogico: gli specchi attuali possono essere utilizzati nei circuiti di convertitori digitali-analogico per fornire una sorgente corrente precisa proporzionale al codice di ingresso digitale.

Nei moltiplicatori analogici e negli amplificatori di guadagno variabili, gli specchi attuali permettono un controllo preciso delle correnti di segnale mantenendo alta linearità e bassa distorsione. La capacità di scalare le correnti tramite i rapporti di area transistor rende gli specchi attuali ideali per l'implementazione di sorgenti di corrente ponderate nelle reti di scale DAC.

Regolatori e Referenze di Tensione

Regolatori di tensione: Gli specchi a corrente possono essere utilizzati nei circuiti di regolazione della tensione per fornire una corrente costante a un carico, indipendentemente dalle variazioni della tensione di ingresso o della resistenza al carico.

Gli specchi attuali servono anche come blocchi di costruzione essenziali in regolatori a bassa goccia (LDO), fornendo correnti di bias stabili per amplificatori di errore e transistor di passaggio, mantenendo elevati rapporti di alimentazione di rifiuto.

Applicazioni di rilevamento attuali

Molte applicazioni come veicoli elettrici (EV) o ibridi (HEV) per esempio, richiedono che la corrente di carico sia disegnata da una batteria per essere avvertita vicino alla batteria stessa. La corrente deve essere convertita in una tensione che si trova all'interno della gamma di input di un convertitore analogico-digitale (ADC) o di un microcontrollore e quindi deve avere una piccola magnitudine.

Driver e applicazioni di visualizzazione LED

A differenza di una semplice resistenza (la cui corrente cambia con tensione di alimentazione e variazione LED VF), uno specchio corrente mantiene esattamente la corrente impostata indipendentemente dalle fluttuazioni di alimentazione — rendendo la luminosità del LED coerente. Questa applicazione è particolarmente importante nel display retroilluminazione, luci di indicatore e sistemi di illuminazione per autoveicoli in cui la luminosità coerente è critica.

Considerazioni di progettazione e migliori pratiche

Tecniche di layout per corrispondenza

Per esempio, Q1 e Q2 possono essere implementati come un paio di transistor paralleli disposti come quad con rivestimento trasversale in un layout comune-centrico per ridurre gli effetti dei gradienti locali nel guadagno corrente. Se lo specchio deve essere utilizzato a un livello di polarizzazione fisso, resistenze corrispondenti negli emettitori di questa coppia possono trasferire alcuni dei transistor corrispondenti.

Le coppie di stampi in ogni confezione sono raccolte specificatamente dalla stessa area wafer per ridurre al minimo la possibilità di deviazioni nel processo di produzione.

Gestione termica

Inoltre, Q2 può ottenere sostanzialmente più caldo di Q1 a causa della dissipazione di potenza superiore associata. Per mantenere la corrispondenza, la temperatura dei transistor deve essere quasi la stessa. Nei circuiti integrati e transistor array dove entrambi i transistor sono sulla stessa die, questo è facile da raggiungere. Ma se i due transistor sono ampiamente separati, la precisione dello specchio corrente è compromessa.

Per implementazioni discrete, la prossimità fisica e l'accoppiamento termico sono essenziali. Il montaggio dei transistor abbinati sullo stesso dissipatore di calore o l'utilizzo di pacchetti a doppio transistor garantisce il monitoraggio termico.

Considerazioni di alimentazione

Per gli specchi di base, questo richiede in genere almeno VBE[] + V,sat[[], circa 1 V per le BJT di silicio.

Il rumore dell'alimentazione può accoppiarsi alla corrente di riferimento, degradando le prestazioni dello specchio. I condensatori di decoupling e la progettazione di una rete di distribuzione di energia attenta minimizzano questi effetti. Nelle applicazioni di precisione, utilizzando un alimentatore separato per la corrente di riferimento può migliorare significativamente le prestazioni.

Risposta e stabilità della frequenza

Problemi di risposta alla frequenza: l'operazione ad alta frequenza crea instabilità nel loop di feedback negativo. Le capacità parassitarie dei transistor, in particolare la capacità di base-collettore, possono creare poli nella funzione di trasferimento che limitano la larghezza di banda o causare instabilità nelle configurazioni di feedback.

Un'altra conseguenza dell'aggiunta del buffer di emitter è, in generale, una perdita della risposta di frequenza dello specchio. Transistor Q3 è potenzialmente operativo ad una corrente molto piccola di 2IB. Se ci fosse una capacità significativa a terra alla connessione di base comune a Q1 e Q2 la corrente disponibile per scaricare questa corrente sarà anche piccola pari a 2IB.

Argomenti avanzati e sviluppi moderni

Operazione a bassa tensione

Questa differenza è aumentata quando i transistor condividono un terminale del corpo comune e l'effetto del corpo in M4 aumenta la sua tensione di soglia. Sul lato di uscita dello specchio, la tensione minima a terra è ... Questa tensione è probabilmente maggiore di 1.0 volt. Entrambe le differenze potenziali lasciano insufficienti headroom per il circuito che fornisce la corrente di ingresso e utilizza la corrente di uscita a meno che la tensione di alimentazione è superiore a 3 volt.

I moderni modelli a bassa tensione impiegano topologie specializzate che riducono al minimo i requisiti di copertura della tensione mantenendo prestazioni adeguate, tra cui specchietti a incasso, configurazioni cascode regolate e schemi di biasing adattativi che ottimizzano le prestazioni attraverso tensioni di alimentazione variabili.

Tecniche di Compensazione dei processi

Per calibrare la variazione di processo, il TPC-CM proposto utilizza due specchi correnti binarie ponderate che controllano il coefficiente di temperatura e l'entità della corrente di riferimento. Dopo la misurazione delle correnti di calibrazione PTAT e CTAT, i codici di commutazione del TPC-CM sono fissati in modo che l'entità della corrente di riferimento sia indipendente alla temperatura.

Le tecniche di taglio e calibrazione digitali consentono ai moderni specchi di corrente di raggiungere livelli di precisione in precedenza inattaccabili. Misurando e compensando le variazioni di processo durante i test di produzione, i produttori possono garantire specifiche strette tra lotti di produzione e condizioni operative.

Design ad alta impedenza di uscita

Per applicazioni a circuito analogico ad alte prestazioni, l'accuratezza e l'impedenza di uscita sono i parametri più importanti per determinare le prestazioni dello specchio corrente. In questo documento, viene proposto un nuovo mirror corrente per fornire alta precisione e impedenza di uscita molto elevata. Un nuovo stadio di feedback viene utilizzato per aumentare l'impedenza di uscita e la precisione corrispondente in modo significativo. Inoltre, il nuovo mirror attuale proposto ha anche un'oscillazione di uscita simile ai tradizionali due.

Le topologie avanzate impiegano più loop di feedback e tecniche di lucro per ottenere impedenze di uscita nella gamma gigaohm. Questi specchi ad alta impedenza sono essenziali per la strumentazione di precisione, convertitori di dati ad alta risoluzione e altre applicazioni in cui la qualità di sorgente corrente influisce direttamente sulle prestazioni del sistema.

Risoluzione dei problemi e errori comuni

Problemi di errore

k1 è chiamato il fattore corrente e idealmente, dovrebbe avere un valore di 1 o un altro valore determinato dal rapporto tra i valori selezionati per R1 e R2. IOUT dovrebbe tracciare IIN attraverso la gamma di valori correnti di input richiesti dal design, tuttavia, anche piccole differenze nelle caratteristiche fisiche dei BJT, come per esempio, se hanno valori diversi di VBE e/o hfe allora k1 deviare dal valore desiderato.

Misura V[BE[]] tensioni per confermare l'accoppiamento, e controllare le tensioni del collettore per garantire che né transistor sia entrato in saturazione. Le differenze di temperatura tra i transistor spesso manifestano come errori di corrente sistematici che variano con la dissipazione di potenza.

Saturazione e conformità

Uno dei guasti più comuni nei circuiti a specchio correnti si verifica quando il transistor di uscita entra in saturazione a causa di una insufficiente tensione di collettore-emettitore. Questo accade tipicamente quando la resistenza al carico è troppo grande o la tensione di alimentazione troppo bassa.

Nei circuiti con carichi variabili, possono verificarsi violazioni di conformità dinamiche durante i transienti.Aggiunta di condensatori di bypass e garantendo margini di tensione adeguati previene questi problemi.Per applicazioni critiche, i circuiti di monitoraggio possono rilevare violazioni di conformità e innescare azioni protettive.

Oscillazione e instabilità

Gli specchi attuali con feedback, in particolare le configurazioni Wilson, possono oscillare se le capacità parassitarie creano un eccessivo spostamento di fase. I piccoli condensatori di compensazione tra i nodi critici possono stabilizzare il circuito. Tuttavia, la risposta eccessiva di compensazione degrada la frequenza, richiedendo un'attenta ottimizzazione.

I loop terrestri e il decoupling dell'alimentazione povera possono iniettare il rumore nella corrente di riferimento, causando variazioni di corrente di uscita. Le tecniche di messa a terra stellare e i condensatori locali di decoupling minimizzano questi effetti. Nei sistemi di segnale misto, separando i motivi analogici e digitali impedisce il passaggio del rumore digitale da correnti analogiche corrotte.

Misura e caratterizzazione

Caratterizzazione DC

Per caratterizzare completamente uno specchio corrente, misurare la corrente di uscita contro la tensione di uscita attraverso l'intervallo di conformità completo. Questa curva I-V rivela la tensione di conformità, l'impedenza di uscita e qualsiasi comportamento non ideale.

La caratterizzazione della temperatura richiede misurazioni attraverso l'intervallo di temperatura specificato, tipicamente da -40°C a +125°C per applicazioni commerciali. Corrente di uscita del lotto rispetto alla temperatura a corrente di riferimento fissa e tensione di uscita per quantificare il coefficiente di temperatura.

Prestazioni AC

La caratterizzazione AC comporta la misurazione dell'impedenza di uscita rispetto alla frequenza e la determinazione della larghezza di banda dello specchio corrente. L'analisi di piccole dimensioni dell'aria condizionata rivela i poli e gli zeri nella funzione di trasferimento.Per gli specchi utilizzati nelle applicazioni dinamiche, le misurazioni di risposta transitoria mostrano il tempo di impostazione e le caratteristiche di sovrascarico.

Misurare la densità spettrale del rumore in uscita attraverso la gamma di frequenza di interesse. Il rumore Flicker domina a basse frequenze, mentre il rumore termico imposta il pavimento del rumore a frequenze più elevate.

Risorse pratiche di progettazione

Per gli ingegneri che progettano specchi correnti BJT, diverse risorse eccellenti forniscono una maggiore profondità e una guida pratica. Il sito Analog Devices[] offre ampie note di applicazione e strumenti di progettazione per i circuiti a specchio attuali. Texas Instruments]] fornisce guide di design analogiche complete che coprono le fonti attuali e le tecniche di biasing.

Per l'apprendimento pratico, il pannellaggio dei circuiti a specchio correnti semplici con componenti discreti fornisce intuizione inestimabile. Iniziare con uno specchio a due transistor di base utilizzando transistor abbinati a transistor di piccole dimensioni come il BC547 o 2N3904.

I simulatori moderni includono l'analisi Monte Carlo per valutare gli effetti delle tolleranze dei componenti, delle scansioni di temperatura per la caratterizzazione termica e dell'analisi AC per la risposta in frequenza, che aiutano a ottimizzare i progetti e a identificare i potenziali problemi all'inizio del processo di sviluppo.

Conclusioni

Gli specchi BJT rappresentano blocchi di costruzione fondamentali nel design di circuiti analogici, offrendo soluzioni eleganti per la replicazione, il biasing e il caricamento attivo. Mentre la configurazione di base a due transistor fornisce un punto di partenza semplice, la comprensione dei limiti e dei miglioramenti disponibili consente ai progettisti di selezionare le topologie appropriate per applicazioni specifiche.

Dalle semplici reti biasing agli amplificatori operativi sofisticati, gli attuali specchi consentono funzionalità impraticabili o impossibili con soli componenti passivi, la capacità di generare correnti precise e stabili con area di silicio minimale rende indispensabili gli attuali specchi nel design moderno integrato del circuito.

Il successo con il design attuale dello specchio richiede attenzione alla corrispondenza transistor, alla gestione termica, alle tecniche di layout e alle condizioni operative. Applicando i principi e i calcoli delineati in questa guida, gli ingegneri possono progettare specchi robusti in corrente che soddisfano le specifiche di prestazione esigenti attraverso le variazioni di temperatura, di processo e le condizioni operative.

La tecnologia dei semiconduttori continua a avanzare verso tensioni inferiori e geometrie più piccole, il design attuale degli specchi si evolve per affrontare nuove sfide. Le topologie a bassa tensione, le tecniche di calibrazione digitale e i metodi di compensazione avanzati garantiscono che gli specchi attuali rimangano rilevanti ed efficaci nei sistemi analogici e misti di nuova generazione.