Ontwerpen van Bjt huidige spiegels: Stapsgewijze berekeningen en toepassingen

Waar V_CC de voedingsspanning is, is V_BE de basis-emitterspanning (doorgaans 0,6-0,7V voor silicium BJT's), en is I_REF de gewenste referentiestroom.

Voorbeeld van praktisch ontwerp

Laten we een praktische stroomspiegel voor 1mA uitgangsstroom van een 12V voeding ontwerpen. Stel Iref = Iout = 1mA (voor een 1:1 spiegel). We willen dat Iref door Rref stroomt vanuit VCC. Rref = (VCC

Gebruik de dichtstbijzijnde standaardwaarde: 11kΩ (met Iref = 1.027mA). De 10kΩ in de E12-serie geeft 1,13mA . . . aanvaardbaar voor de meeste toepassingen. Dit toont de praktische aanpak van het gebruik van standaard weerstandswaarden en het accepteren van kleine afwijkingen van de ideale ontwerpwaarden.

Transistorselectiecriteria

Voor een 1mA stroomspiegel werkt bijna elke kleine NPN transistor. Belangrijkste eisen: VCEO ≥ VCC (12V in dit voorbeeld) . . de meeste kleine signale transistors zijn gespecificeerd 25V

Boekhouding voor de huidige fout van de basis

Aangezien Vbe en beta voor beide transistors dezelfde zijn, moet de basisstroom voor elke transistor ook dezelfde zijn. Aangezien de transistors in hun lineaire gebieden worden gebruikt, wordt de stroom door Rp gesplitst tussen de collector en de tak die de twee basen voedt. Deze basisstroomfout vertegenwoordigt een van de primaire beperkingen van de basis twee transistor stroomspiegel.

De output current relatie die eindige beta (β) omvat kan worden uitgedrukt als:

I_OUT = I_REF × β2/(β2 + 2β)

Merk op dat deze vergelijking voorspelt dat IO < IREF tenzij β →∞. Voor typische transistors met β = 100, dit resulteert in ongeveer 2% fout in de gespiegelde stroom.

Prestatiekenmerken en beperkingen

Uitvoerimpedantie

Een belangrijk kenmerk van de huidige spiegel is een relatief hoge uitgangsweerstand die helpt om de uitgangsstroom constant te houden ongeacht de belastingsomstandigheden. De tweede is de wisselstroom-uitgangsweerstand, die bepaalt hoeveel de uitgangsstroom varieert met de spanning die op de spiegel wordt toegepast.

Een stroomspiegel heeft een hoge uitvoer impedantie omdat de output node is geconfigureerd zodat veranderingen in uitgangsspanning slechts kleine veranderingen in uitgangsstroom produceren. Hoge output impedantie ontstaat uit de apparaatfysica en de circuit topologie die stroom koppelt van de spanning aan de spiegel uitgang.

Vroege effect- en outputweerstand

De VCB van Q1 in de spiegel is nul. Als VCB groter is dan nul in de uitvoertransistor Q2, zal de collectorstroom in Q2 iets groter zijn dan Q1 vanwege het vroege effect. Een van de gebreken in de zalf is het vroege effect van de collectorspanning op de collectorstroom. Het kan soms worden geschat op basis van databladparameters als de uitvoertoelating (hoe) wordt gespecificeerd (Ee ~ hoe / teststroom). Een representatieve waarde is 1% per volt.

Omdat het Vroege effect is verwaarloosd bij het oplossen van IO, is de uitgangsweerstand oneindig. Als we het Vroege effect opnemen en aannemen dat het een verwaarloosbaar effect heeft in de oplossing voor IO, wordt de uitgangsweerstand gegeven door de Vroege spanning gedeeld door de uitgangsstroom. Deze eindige uitgangsweerstand zorgt ervoor dat de gespiegelde stroom licht varieert met veranderingen in uitgangsspanning.

Voldoet aan de spanning

De minimale spanningsdaling over het uitgangsgedeelte van de spiegel die nodig is om het goed te laten werken. Deze minimale spanning wordt bepaald door de noodzaak om de uitgangstransistor van de spiegel in actieve modus te houden. Het bereik van spanningen waar de spiegel werkt wordt het nalevingsbereik genoemd en de spanning die de grens tussen goed en slecht gedrag markeert wordt de nalevingsspanning genoemd.

Het is noodzakelijk om de output (BJT) transistor buiten verzadiging te houden, VCB = 0 V. Of vanuit een ander perspectief, de collector basisverbinding niet toe te staan om vooruit te gaan. Dat betekent de laagste uitgangsspanning die resulteert in de juiste uitgangsstroom, de nalevingsspanning, is VOUT = VCV = VBE onder vooringenomen omstandigheden met de output transistor op het uitgangsstroomniveau IC en met VCB = 0 V

Temperatuurgevoeligheid

De stroomspiegel wordt vaak gebruikt in bipolaire circuits zoals laagspanning bipolaire versterker circuits. een probleem in lage spanning toepassingen komt uit variaties in basis-emitter spanning, V zijn, met temperatuur, die een referentiestroom en een spiegelstroom negatief kan beïnvloeden. de stroom door transistor Q rf neemt toe als V worden verminderd met ongeveer −2 mV/° C. voor een silicium bipolaire transistor of −1 mV/° C. voor een GaAs heterojunctie bipolaire transistor.

In dit document wordt een nauwkeurige stroomreferentie voorgesteld met behulp van temperatuur- en procescompensatiestroomspiegel (TPC-CM). De temperatuur-onafhankelijke referentiestroom wordt gegenereerd door een proportionele absolute temperatuurstroom (PTAT) op te tellen en een absolute temperatuurstroom (CTAT) op te vullen. Deze compensatietechniek kan de temperatuurstabiliteit in precisietoepassingen aanzienlijk verbeteren.

Verbeterde huidige spiegel topologieën

Emitterdegeneratie

De spanning over de weerstand van de zender neemt toe, waardoor de spanning van de zender afneemt. Hierdoor neemt de stroom af, waardoor de twee transistors meer gelijke stromen hebben. Een typische waarde voor de zenderweerstanden kan 100 Ω zijn.

Een eerste stap is om weerstanden aan te sluiten op de emitters (of de bronnen, in het geval van MOS transistors), zoals geïllustreerd in figuur 4-7. Met de 6 kΩ weerstanden die we in dit voorbeeld gebruiken, laten we 300 mV vallen over de weerstanden. Als de stroom in Q2 hoger wil zijn dan I1, zou dit ook een hogere spanningsdaling veroorzaken over R2. Deze toename van de spanning over R2 verminderde de basis-emitterspanning (VBE) van Q2. Dit negatieve feedback effect dwingt I2 terug naar waar het min of meer gelijk is aan I1.

Wanneer ongeëvenaarde (typisch discrete) transistors worden gebruikt voor een spiegel, is het al lang bekend dat resistente emitter degeneratie een veel voorspelbarere resultaat en een hogere effectieve output impedantie, het bestrijden van het Vroege effect. Echter, deze verbetering komt ten koste van de verminderde spanning hoofdruimte en verhoogde minimale naleving spanning.

Basisstroomcompensatie

Figuur 3 toont de basisstroomspiegel met een derde transistor toegevoegd. Figuur 3: Spiegel met basisstroomcompensatie. Deze drie-transistor configuratie vermindert aanzienlijk de basisstroomfout die het basisontwerp van twee transistoren plagen.

Figuur 11.8 toont een spiegel waar de eenvoudige draad die de collector van Q1 verbindt met de basis wordt vervangen door een zendervolgerbuffer. Deze verbetering naar de eenvoudige stroomspiegel wordt aangeduid als een emitter volger augmented spiegel. De huidige gain (ßQ3) van de emitter volger buffer fase (Q3) vermindert sterk de gain error veroorzaakt door de eindige basisstromen van Q1 en Q2.

Wilson huidige spiegel

Het circuit is vernoemd naar George R. Wilson, een geïntegreerde circuit ontwerper die werkte voor Tektronix. Wilson bedacht deze configuratie in 1967 toen hij en Barrie Gilbert elkaar uitdaagden om een verbeterde huidige spiegel te vinden die slechts drie transistors zou gebruiken. Wilson won de uitdaging.

De Wilson huidige spiegel heeft de bijzondere voordelen ten opzichte van alternatieven die: De statische fout, de input-output huidige verschil, is gereduceerd tot zeer kleine niveaus die bijna volledig toe te schrijven aan willekeurige apparaat mismatches terwijl de uitvoer impedantie wordt verhoogd door een factor van ... Het circuit maakt gebruik van minimale middelen.

Verwijdert de basisstroom mismatch: In tegenstelling tot eenvoudige huidige spiegelontwerpen, de Wilson configuratie komt dicht bij het elimineren van de basis huidige balans fouten. Dit resulteert in een output huidige nauwkeurigheid dicht bij de ingang huidige referentie. Hoge output Impedantie: Het circuit maakt gebruik van zeer hoge output impedantie vanwege de negatieve feedback van T3 basis naar T1, veel beter dan de eenvoudige twee-transistor stroom spiegels.

Een nog grotere verbetering kan worden gemaakt met de toevoeging van een transistor. Dit circuit, uitgevonden door George Wilson, wordt natuurlijk de Wilson Current Mirror (analoge ontwerpers krijgen geen Nobelprijs, ze krijgen een circuit genoemd naar hen).

Verbeterde Wilson spiegel

Het toevoegen van een vierde transistor aan de eenvoudige Wilson stroomspiegel in figuur 11.10, hebben we de gewijzigde of verbeterde Wilson spiegel. De verbeterde ingang naar uitgangsstroom nauwkeurigheid wordt bereikt door het gelijkmaken van de verzamelaarsspanningen van Q1 en Q2 bij 1 VBE. Dit laat de eindige ß en spanning verschillen van elk van Q1 en Q2 als de resterende niet-balancerende invloeden in de spiegel.

Er is nog steeds een systematische fout in de basis Wilson stroomspiegel: de twee transistors die bedoeld zijn om overeen te komen hebben niet dezelfde verzamelspanningen. De ene transistor is op VBE; de andere is op 2VBE. Voer een vierde transistor in (Figuur 4-12). Het enige doel van Q4 is om de verzamelspanning van Q1 te verlagen tot hetzelfde niveau als dat van Q2. Hiermee zien we in Figuur 4-13 dat I2 nu binnen 0,6% van I1 is en dat het met minder dan 0,08% verandert over het uitgangsspanningsbereik.

Huidige widlar-bron

Een Widlar stroombron is een wijziging van de basis twee-transistor stroomspiegel die een emitter degeneratie weerstand voor alleen de output transistor bevat, waardoor de huidige bron in staat om lage stromen te genereren met behulp van slechts matige weerstand waarden. Dit circuit is genoemd naar zijn uitvinder, Robert Widlar, en werd gepatenteerd in 1967. Het Widlar circuit kan worden gebruikt met bipolaire transistors of MOS transistors. Een voorbeeld applicatie is in de nu beroemde uA741 operationele versterker, en Widlar gebruikt het circuit in veel van zijn ontwerpen.

Figuur 11.11 is een voorbeeld van Widlar stroombron met bipolaire transistors, waarbij de zenderweerstand R2 in serie is verbonden met de emitter van output transistor Q2, en het effect heeft dat de stroom in Q2 ten opzichte van Q1 wordt verminderd. Deze topologie is vooral nuttig wanneer zeer lage uitgangsstromen nodig zijn zonder onpraktisch grote weerstandswaarden te gebruiken.

Cascode huidige spiegel

De cascode stroomspiegel configuratie stapelt extra transistors om de uitvoer impedantie drastisch te verhogen. Cascodering vermenigvuldigt de uitgangsweerstand wanneer extreem hoge Rout nodig is. Cascode spiegel: Rout neemt ruwweg toe door de intrinsieke winstfactor van de cascode, waardoor Rout >> ro van één apparaat wordt geproduceerd.

De cascode verhoogt de uitvoerimpedantie met ongeveer twee orden van grootte, waardoor de prestaties sterk verbeteren. Ook kunnen Q1 en Q2 zeer vergelijkbare bedrijfsomstandigheden hebben, wat ook de prestaties verbetert. Dit maakt cascodespiegels ideaal voor toepassingen die zeer stabiele stroombronnen vereisen met minimale gevoeligheid voor spanningsvariaties.

De belangrijkste beperking van BJT cascode spiegel is dat de systematische winst fout die voortvloeit uit eindige beta was groot. Om deze beperking te overwinnen, de Wilson spiegel wordt gebruikt. De keuze tussen cascode en Wilson configuraties is afhankelijk van de specifieke toepassing eisen en prestatie prioriteiten.

Toepassingen van BJT huidige spiegels

Biasing Networks

De huidige spiegel wordt gebruikt om biasstromen en actieve belastingen aan circuits te leveren. Huidige spiegels worden uitgebreid gebruikt om stabiele werkpunten voor transistors in versterkerfasen vast te stellen. In tegenstelling tot weerbestendige vooringenomenheid, biedt de huidige spiegelvooringenomenheid superieure stroomafstoot en temperatuurstabiliteit.

Terwijl weerstanden in IC's kunnen worden vervaardigd, is het gemakkelijker om transistors te fabriceren. IC-ontwerpers vermijden sommige weerstanden door het vervangen van belastingsweerstanden door stroombronnen. Een circuit zoals een operationele versterker die is gebouwd uit discrete componenten zal een paar transistors en vele weerstanden hebben. Een geïntegreerde circuit versie zal vele transistors en een paar weerstanden hebben. Dit fundamentele verschil drijft het wijdverbreide gebruik van stroomspiegels in geïntegreerde circuits ontwerp.

Actieve belastingen in verschillende versterkers

Veel IC-versterkers gebruiken BJT-belastingen in plaats van de belastingsweerstand, RC. De belastingsweerstand van BJT wordt meestal aangesloten als een constante stroombron met een zeer hoge weerstandslast (outputweerstand van de huidige bron) • Hogere belastingsweerstand, hogere outputwinst. Linkse figuur toont een AMP met actieve belasting (bestaande uit Q3 en Q4).

Een differentiaalversterker beschikt over twee BJT transistors Q1 en Q2 waarvan de emitter terminals zijn aangesloten op een stroombron. Wanneer nauw met elkaar zijn afgestemd, is versterking in de gemeenschappelijke stand extreem klein en als deze apparaten thermisch nauw met elkaar verbonden zijn, hebben temperatuurveranderingen slechts hetzelfde effect als het toepassen van een langzaam veranderende common-mode ingangsspanning. Het differentiaalversterkercircuit in figuur 3 gebruikt ook twee stroomspiegels . . een voor het besnijden en de andere als de gain component voor een enkele-end uitgang.

De huidige actieve belasting van de spiegel levert een zeer hoge interne impedantie op, waardoor een zeer hoge differentiaalwinst ontstaat. Deze configuratie is van fundamenteel belang voor de operationele versterkeringangsfasen en andere hoge-gain analoge circuits.

Ontwerp van de operationele versterker

De meeste moderne operationele versterkers maken gebruik van een differentiaalversterker front end. Met andere woorden, de eerste fase van de operationele versterker is een differentiaalversterker. Huidige spiegels spelen meerdere kritische rollen in het ontwerp van op-amp, inclusief staartstroombronnen voor differentiaalparen, actieve belastingen voor spanningsaanwinst stadia, en output stadium bevoordeling.

Vaak is de collectorbelasting van een transistor geen weerstand maar een huidige spiegel. Bijvoorbeeld de collectorbelasting van Q4 collector, Ch 8 is een stroomspiegel (Q2). Voor een voorbeeld van een huidige spiegel met meerdere collector, uitgangen zie Q13 in het model 741 op-amp, Ch 8. De Q13 stroomspiegel uitgangen vervangen weerstanden als verzamelaarsbelasting voor Q15 en Q17.

Huidige besturing en seinverwerking

Huidige spiegels maken geavanceerde stroombesturingstechnieken mogelijk in analoge multiplicatoren, digitale naar analoge converters en andere precisie analoge circuits. Digitale naar analoge converters: Huidige spiegels kunnen worden gebruikt in digitale naar analoge converter circuits om een precieze stroombron te bieden die evenredig is met de digitale invoercode.

In analoge multiplicatoren en variabele gain versterkers, kunnen de huidige spiegels nauwkeurige controle van signaalstromen met behoud van hoge lineariteit en lage vervorming. De mogelijkheid om stromingen te schalen door transistor gebied ratio's maakt stroomspiegels ideaal voor het implementeren van gewogen stroombronnen in DAC ladder netwerken.

Spanning regelaars en referenties

Spanningsregelaars: Stroomspiegels kunnen worden gebruikt in spanningsregelaars om een constante stroom aan een belasting te leveren, ongeacht veranderingen in de ingangsspanning of belastingsweerstand. Bandgap-spanningsreferenties, die van fundamenteel belang zijn voor precisie analoge systemen, vertrouwen zwaar op stroomspiegelkringen om temperatuurgecompenseerde referentiespanningen te genereren.

De huidige spiegels dienen ook als essentiële bouwstenen in low-dropout (LDO) regelaars, die stabiele biasstromen voor foutversterkers en passtransistoren bieden terwijl de hoge voedingsafstotingsratio's gehandhaafd blijven.

Huidige sensatietoepassingen

Veel toepassingen zoals elektrische (EV) of lichte hybride voertuigen (HEV) bijvoorbeeld, vereisen dat de belastingstroom wordt getrokken uit een batterij om te worden gevoeld dicht bij de batterij zelf. De stroom moet worden omgezet in een spanning die binnen het invoerbereik van een analoge-naar-digitale converter (ADC) of een microcontroller is en daarom moet het een kleine omvang hebben. Dit kan worden gedaan met behulp van de stroomsensor circuit weergegeven in figuur 5 waar V1 de 48 V batterij spanning en I1 is de belasting stroom getrokken uit het. Duidelijk, dit circuit is gebaseerd op twee stroomspiegels . . een paar NPN BJTs en een ander paar PNPs. Een belasting wordt aangesloten op de batterij via een 50 mΩ stroomsensor die betekent dat voor een maximale belasting stroom van 10 A, de ingang spanning op het sensor circuit zal 0,5 V.

LED-drivers en weergavetoepassingen

Stel een nauwkeurige stroom door een LED met behulp van een stroomspiegel. In tegenstelling tot een eenvoudige weerstand (waarvan de stroom verandert met voedingsspanning en LED VF variatie), een stroomspiegel precies de ingestelde stroom, ongeacht de stroomschommelingen . . waardoor LED helderheid consistent. Deze toepassing is vooral belangrijk in het tonen van achtergrondverlichting, indicator verlichting en automotive verlichting systemen waar consistente helderheid is cruciaal.

Ontwerpoverwegingen en beste praktijken

Indelingstechnieken voor matching

Om deze foutbron tot een minimum te beperken, moeten zorgvuldig lay-out en transistorontwerp worden gebruikt. Zo kunnen Q1 en Q2 worden geïmplementeerd als een paar parallelle transistors die als een kruiskoppeling quad in een gemeenschappelijke lay-out worden gerangschikt om de effecten van lokale gradiënten in de huidige winst te verminderen. Als de spiegel op een vast biassniveau moet worden gebruikt, kunnen bijpassende weerstanden in de emitters van dit paar een deel van het matching probleem van de transistoren naar die weerstanden overbrengen.

De matrijsparen in elk pakket worden specifiek geoogst uit hetzelfde wafergebied om de mogelijkheid van afwijkingen in het productieproces te minimaliseren. In het ontwerp van geïntegreerde circuits helpen gemeenschappelijke-centroïde lay-outtechnieken en interdigiteerde transistorstructuren de effecten van procesgradiënten en thermische hellingen over de matrijs te minimaliseren.

Thermisch beheer

Verder kan Q2 aanzienlijk warmer worden dan Q1 vanwege de bijbehorende hogere vermogensdissipatie. Om de matching te behouden, moet de temperatuur van de transistors bijna gelijk zijn. In geïntegreerde schakelingen en transistorarrays waar beide transistors op dezelfde matrijs zitten, is dit gemakkelijk te bereiken. Maar als de twee transistors breed gescheiden zijn, wordt de precisie van de huidige spiegel aangetast.

Voor discrete implementaties zijn fysieke nabijheid en thermische koppeling essentieel. Montage van transistors op dezelfde koelbak of met dubbele transistorpakketten zorgt voor thermische tracking. Bij toepassingen met hoog vermogen voorkomt een zorgvuldig thermisch ontwerp temperatuurverschillen die de bijpassende nauwkeurigheid zouden afbreken.

Energievoorzieningsoverwegingen

De minimale voedingsspanning voor een stroomspiegel moet de nalevingsspanning en eventuele spanningsdalingen over stroom-instelweerstanden omvatten. Voor basisspiegels vereist dit meestal ten minste V_BE + V_CE,sat[, ongeveer 1V voor silicium BJT's. Meer complexe topologieën zoals Wilson of cascode spiegels vereisen extra hoofdruimte.

De stroomvoorziening kan de referentiestroom invoegen, waardoor de spiegelprestaties worden verminderd. Een goede ontkoppeling van condensatoren en een zorgvuldig ontwerp van het stroomdistributienetwerk minimaliseren. Bij precisietoepassingen kan het gebruik van een aparte gereguleerde voeding voor de referentiestroom de prestaties aanzienlijk verbeteren.

Frequentierespons en stabiliteit

Frequentieresponsproblemen: Hogefrequentiebewerking zorgt voor instabiliteit in de negatieve feedbacklus. De parasitaire capaciteit van de transistors, met name de capaciteit van de basiscollectie, kan polen creëren in de overdrachtsfunctie die bandbreedte beperken of instabiliteit in feedbackconfiguraties veroorzaken.

Een ander gevolg van het toevoegen van de zendervolgerbuffer is in het algemeen een verlies in de frequentierespons van de spiegel. Transistor Q3 werkt mogelijk op een zeer kleine stroom van 2IB. Als er een significante capaciteit zou zijn om te gronden aan de basisverbinding die gebruikelijk is voor Q1 en Q2 zal de stroom die beschikbaar is om deze stroom te lossen ook klein zijn gelijk aan 2IB. Zorgvuldige aandacht voor parasitaire vermogens en operationele stromen is essentieel voor hoogfrequente toepassingen.

Geavanceerde onderwerpen en moderne ontwikkelingen

Operatie met lage spanning

Dit verschil wordt verhoogd wanneer de transistors een gemeenschappelijke lichaam terminal delen en het lichaam effect in M4 verhoogt zijn drempelspanning. Aan de uitgang kant van de spiegel, de minimale spanning op de grond is ... Deze spanning is waarschijnlijk aanzienlijk groter dan 1,0 volt. Beide potentiële verschillen laten onvoldoende hoofdruimte voor de circuits die de ingang stroom levert en gebruikt de uitgangsstroom, tenzij de voedingsspanning hoger is dan 3 volt. Veel hedendaagse geïntegreerde circuits zijn ontworpen om lage spanning voedingen te gebruiken om de beperkingen van kortkanaaltransistors te voldoen, om te voldoen aan de behoefte aan batterijbediende apparaten en om een hoge stroomefficiëntie in het algemeen te hebben. Het resultaat is dat nieuwe ontwerpen de neiging hebben om een bepaalde variant van een brede swing cascode stroomspiegel configuratie te gebruiken.

Moderne low-voltage ontwerpen maken gebruik van gespecialiseerde topologieën die spanningshoofdruimte eisen minimaliseren en tegelijkertijd voldoende prestaties behouden. Deze omvatten gain-boosted spiegels, gereguleerde cascode configuraties, en adaptieve vooringenomen schema's die de prestaties te optimaliseren over verschillende voedingsspanningen.

Procescompensatietechnieken

De temperatuurcoëfficiënt en de omvang van de referentiestroom worden beïnvloed door de procesvariatie. Om de procesvariatie te kalibreren, gebruikt de voorgestelde TPC-CM twee binaire gewogen stroomspiegels die de temperatuurcoëfficiënt en de omvang van de referentiestroom regelen. Nadat de PTAT- en CTAT-stromingen zijn gemeten, worden de schakelcodes van de TPC-CM vastgesteld zodat de omvang van de referentiestroom onafhankelijk is van de temperatuur. En de codes worden opgeslagen in het niet-vluchtig geheugen. In de simulatie wordt het effect van de procesvariatie gereduceerd tot 0,52% van 19,7% na de kalibratie met behulp van een TPC-CM in chip-by-chip.

Dankzij de digitale trim- en kalibratietechnieken kunnen moderne spiegels precisieniveaus bereiken die voorheen onbereikbaar waren. Door procesvariaties tijdens productietests te meten en te compenseren, kunnen fabrikanten strikte specificaties garanderen voor productiepartijen en bedrijfsomstandigheden.

Impedantieontwerpen met hoge output

De huidige spiegel is een van de belangrijkste elementen in analoge circuitontwerp. Voor toepassingen met hoge prestaties in analoge circuits zijn de nauwkeurigheid en de uitvoerimpedantie de belangrijkste parameters om de prestaties van de huidige spiegel te bepalen. In dit papier wordt een nieuwe stroomspiegel voorgesteld om hoge nauwkeurigheid en zeer hoge outputimpedantie te bieden. Een nieuwe feedback-aanwinstfase wordt gebruikt om de uitvoerimpedantie en matching nauwkeurigheid aanzienlijk te verhogen. Bovendien heeft de voorgestelde nieuwe stroomspiegel ook een outputschommeling die vergelijkbaar is met de traditionele twee-traps cascodestroomspiegel.

Geavanceerde topologieën maken gebruik van meerdere feedback loops en gain-boosting technieken om output impedanties in het gigaohm bereik te bereiken. Deze ultra-hoge impedantie spiegels zijn essentieel voor precisie instrumentatie, hoge resolutie data converters, en andere toepassingen waar de huidige bronkwaliteit direct invloed heeft op de prestaties van het systeem.

Problemen met het oplossen van en gemeenschappelijke Pitfalls

Mismatchproblemen

k1 wordt de huidige factor genoemd en idealiter moet het een waarde van 1 of een andere waarde hebben die wordt bepaald door de verhouding tussen de geselecteerde waarden voor R1 en R2. IOUT moet IIN volgen over het bereik van inputstroomwaarden die door het ontwerp worden vereist, maar zelfs kleine verschillen in de fysieke kenmerken van de BJT's, zoals bijvoorbeeld als ze verschillende waarden van VBE en/of hfe hebben dan zal k1 afwijken van de gewenste waarde. Dit maakt het moeilijker om precies te controleren OUT en dus om het gedrag van het circuit te definiëren dat het bevooroordeeld is.

Controleer bij het oplossen van stroomspiegelkringen of transistors goed zijn afgestemd en werken in hun actieve regio's. Meet V_BE spanning om de matching te bevestigen en controleer of er geen transistor verzadiging is ingevoerd. Temperatuurverschillen tussen transistors manifesteren zich vaak als systematische stroomfouten die variëren met vermogensverlies.

Verzadiging en naleving

Een van de meest voorkomende storingen in de stroomspiegelkringen treedt op wanneer de uitgangstransistor verzadiging binnenkomt door onvoldoende collector-emitterspanning. Dit gebeurt meestal wanneer de belastingsweerstand te groot is of de voedingsspanning te laag. Controleer altijd of de uitgangsspanning boven de nalevingsspanning blijft onder alle bedrijfsomstandigheden.

In circuits met verschillende belastingen kunnen dynamische compliance schendingen optreden tijdens transiënten. Het toevoegen van bypass-condensatoren en het garanderen van voldoende spanningsmarges voorkomt deze problemen. Voor kritische toepassingen kunnen bewakingscircuits nalevingsschendingen detecteren en beschermende maatregelen in gang zetten.

Oscillatie en instabiliteit

Huidige spiegels met feedback, vooral Wilson configuraties, kunnen oscilleren als parasitaire capaciteiten leiden tot een buitensporige faseverschuiving. Kleine compensatie condensatoren over kritieke knooppunten kunnen het circuit stabiliseren. Echter, buitensporige compensatie degradeert frequentierespons, die een zorgvuldige optimalisatie vereist.

Grondlussen en slechte stroomontkoppeling kunnen lawaai in de referentiestroom injecteren, waardoor de uitgangsstroom varieert. Ster aardingstechnieken en lokale ontkoppelingscondensatoren minimaliseren deze effecten. In gemengde systemen voorkomt het scheiden van analoge en digitale gronden dat digitale schakelruis de analoge stromen corrumpeert.

Meting en karakterisatie

DC-karakterisering

Om een stroomspiegel volledig te karakteriseren, meet u de uitgangsstroom versus uitgangsspanning over het volledige nalevingsbereik. Deze I-V curve toont de nalevingsspanning, de uitvoerimpedantie en elk niet-ideaal gedrag. Veeg de referentiestroom om de lineariteit en de stroomaanwinstnauwkeurigheid over het bedieningsbereik te verifiëren.

Temperatuurkarakterisering vereist metingen over het opgegeven temperatuurbereik, meestal -40°C tot +125°C voor commerciële toepassingen. Performantiestroom versus temperatuur bij vaste referentiestroom en uitgangsspanning om temperatuurcoëfficiënt te kwantificeren. Goed ontworpen spiegels moeten temperatuurcoëfficiënten vertonen onder 100 ppm/°C.

AC-prestaties

AC-karakterisering omvat het meten van de uitvoerimpedantie versus frequentie en het bepalen van de bandbreedte van de huidige spiegel. De kleine-signaal AC-analyse toont polen en nullen in de overdrachtsfunctie. Voor spiegels die worden gebruikt in dynamische toepassingen, geven de transiënte responsmetingen de insteltijd en overschrijdingskenmerken weer.

Geluidsmetingen zijn cruciaal voor precisietoepassingen. Meet de uitgangsstroomspectraaldichtheid van het geluidsspectrum over het frequentiebereik van belang. Flickerruis domineert bij lage frequenties, terwijl thermisch lawaai de geluidsvloer op hogere frequenties zet. Goed vooringenomenheid en apparaat dat de geluidsbijdragen minimaliseert.

Praktische ontwerpbronnen

Voor ingenieurs die BJT-stroomspiegels ontwerpen, bieden verschillende uitstekende bronnen extra diepte en praktische begeleiding.De website Analoge apparaten biedt uitgebreide toepassingsnotities en ontwerptools voor huidige spiegelcircuits. Texas Instruments biedt uitgebreide analoge ontwerphandleidingen voor actuele bronnen en bevoordelingstechnieken.

Voor hands-on learning biedt breadboarding eenvoudige stroomspiegelcircuits met discrete componenten onschatbare intuïtie. Begin met een basisspiegel met twee transistoren met behulp van aangepaste kleine transistoren zoals de BC547 of 2N3904. Meet prestaties, en implementeer vervolgens geleidelijk verbeterde topologieën om de voordelen uit de eerste hand te observeren.

SPICE simulatietools maken gedetailleerde analyse mogelijk voordat u zich verbindt tot hardware. Moderne simulatoren omvatten Monte Carlo analyse voor het evalueren van de effecten van de toleranties van componenten, temperatuur vegen voor thermische karakterisering, en AC analyse voor frequentierespons. Deze tools helpen ontwerpen te optimaliseren en potentiële problemen te identificeren vroeg in het ontwikkelingsproces.

Conclusie

De huidige spiegels van BJT vertegenwoordigen fundamentele bouwstenen in analoge circuits, met elegante oplossingen voor huidige replicatie, vooringenomenheid en actieve belasting. Terwijl de basisconfiguratie van twee transistoren een eenvoudig uitgangspunt biedt, kunnen ontwerpers de beperkingen en beschikbare verbeteringen begrijpen om geschikte topologieën voor specifieke toepassingen te selecteren.

Van eenvoudige bevoordelingsnetwerken tot geavanceerde operationele versterkers, stroomspiegels maken functionaliteit mogelijk die onpraktisch of onmogelijk zou zijn met passieve componenten alleen. De mogelijkheid om nauwkeurige, stabiele stromen met een minimaal siliciumoppervlak te genereren maakt stroomspiegels onmisbaar in modern geïntegreerde circuitontwerp.

Succes met het huidige spiegelontwerp vereist aandacht voor transistor matching, thermisch beheer, lay-out technieken en bedrijfsomstandigheden. Door de toepassing van de principes en berekeningen die in deze gids worden beschreven, kunnen ingenieurs robuuste stroomspiegels ontwerpen die voldoen aan veeleisende prestatiespecificaties voor temperatuur, procesvariaties en bedrijfsomstandigheden.

Terwijl halfgeleidertechnologie verder gaat naar lagere spanningen en kleinere geometrieën, ontwikkelt het huidige spiegelontwerp zich om nieuwe uitdagingen aan te gaan. Low-voltage topologieën, digitale kalibratietechnieken en geavanceerde compensatiemethoden zorgen ervoor dat de huidige spiegels relevant en effectief blijven in analoge en gemengde systemen van de volgende generatie.