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Compreender os espelhos atuais do BJT

Um espelho atual é um circuito projetado para copiar uma corrente através de um dispositivo ativo, controlando a corrente em outro dispositivo ativo de um circuito, mantendo a corrente de saída constante, independentemente do carregamento. Estes blocos fundamentais de construção são essenciais no projeto de circuito integrado analógico, servindo papéis críticos em redes tendenciosas, cargas ativas e aplicações de regulação atuais.

O espelho bipolar mais simples implementa esta ideia e consiste em duas fases de transistor em cascata que actuam de acordo com um conversor de tensão-corrente invertido e directo. A configuração básica normalmente envolve dois transistores combinados, com um transistor a estabelecer a corrente de referência e o outro a espelhar. Os dois transistores simples implementação do espelho actual baseia- se na relação fundamental que dois transistores de tamanho igual à mesma temperatura com o mesmo VBE para um BJT têm o mesmo dreno ou corrente coletor.

O princípio de operação depende da relação exponencial entre tensão base-emitter e corrente coletora em transistores de junção bipolar. O emissor do transistor Q1 está conectado ao solo, seu coletor e base estão ligados juntos, de modo que sua tensão base coletor é zero, e consequentemente, a queda de tensão em Q1 é VBE, ou seja, esta tensão é definida pela lei de diodos e Q1 é dito ser conectado diodo. Esta configuração conectado diodo cria um conversor de corrente logarítmica-para-voltagem que define a tensão base para o transistor de saída.

Princípios fundamentais de concepção

Requisitos de correspondência do transistor

É importante ter Q1 no circuito em vez de um diodo simples, porque Q1 define VBE para transistor Q2. Se Q1 e Q2 são combinados, ou seja, têm substancialmente as mesmas propriedades do dispositivo, e se a tensão de saída espelho é escolhido assim que a tensão de coletor-base de Q2 também é zero, então o valor de VBE definido pelo Q1 resulta em uma corrente emissora no Q2 combinado que é o mesmo que a corrente emissor no Q1.

Como a temperatura é um fator na equação do "diodo", e queremos que as duas junções PN se comportem de forma idêntica em todas as condições operacionais, devemos manter os dois transistores exatamente na mesma temperatura. Isto é facilmente feito usando componentes discretos colando os dois casos de transistor de volta para trás. Se os transistores são fabricados juntos em um único chip de silício (como um chamado circuito integrado, ou IC), os designers devem localizar os dois transistores próximos um ao outro para facilitar a transferência de calor entre eles.

Para as aplicações acima, recomenda- se o uso de BJTs duplos (dois BJTs montados num único pacote). Isto garante que a temperatura de ambas as matrizes será quase idêntica porque os dois transistores estão fisicamente adjacentes um ao outro. Além disso, usando dispositivos combinados garante que os parâmetros elétricos do par transistor são quase idênticos, garantindo um comportamento quase perfeitamente simétrico.

Escala atual e ganho

Se os transistores Q1 e Q2 na figura 11.4 são idênticos (isto é, têm o mesmo tamanho emissor e, portanto, igual IS) a corrente de entrada para a corrente de saída razão ou ganho é ideal 1. Existem muitas vezes ocasiões em que um ganho diferente de um é necessário. Quando a construção de circuitos de dispositivos discretos apenas relações inteiras simples são possíveis enquanto em circuitos integrados microeletrônicos é possível fazer transistores com áreas de emissor arbitrárias, A.

Se Q2 e Q3 são transistores de área igual, as correntes de carga Iload serão iguais. Se precisarmos de um 2·Iload, paralelo Q2 e Q3. Melhor ainda fabricar um transistor, digamos Q3 com o dobro da área do Q2. A corrente I3 será então o dobro I2. Em outras palavras, as escalas de corrente de carga com a área do transistor. Esta capacidade de escalagem torna os espelhos atuais extremamente versáteis para gerar correntes de viés múltiplas de uma única referência.

Processo de Cálculo Passo a Passo

Determinando a Current de Referência

O processo de desenho começa com a selecção da corrente de referência baseada nos requisitos do circuito. A corrente de referência é tipicamente estabelecida utilizando um resistor ligado entre a tensão de alimentação e o transistor ligado ao diodo. Para um espelho de corrente básico, o valor da resistência de referência é calculado utilizando a relação fundamental:

RREF = (VCC[ – VBE[) / IREF[

Quando VCC é a tensão de alimentação, VBE é a tensão de saída de base (normalmente 0,6-0,7V para BJTs de silício), e IREF[ é a corrente de referência desejada.

Exemplo de Desenho Prático

Vamos projetar um espelho atual prático para 1mA corrente de saída de uma fonte de 12V. Set Iref = Iout = 1mA (para um espelho de 1:1). Queremos que Iref flua através de Rref de VCC. Rref = (VCC – VBE) / Iref = (12 – 0,7) / 0,001 = 11.3V / 1mA = 11.3 k

Use o valor padrão mais próximo: 11kē (dando Iref = 1.027mA). A série E12 de 10kē dá 1.13mA — aceitável para a maioria das aplicações. Isto demonstra a abordagem prática de usar valores de resistência padrão e aceitar pequenos desvios dos valores de design ideais.

Critérios de seleção do transistor

Para um espelho de corrente de 1mA, quase qualquer transistor NPN de pequeno sinal funciona. Requisitos essenciais: VCEO ≥ VCC (12V neste exemplo) — a maioria dos transistores de pequeno sinal são classificados 25V–40V mínimo · IC max ≥ Iout com margem de segurança (por exemplo, BC547 manuseia 100mA, lida facilmente com 1mA) HFE elevado (ganho atual) — reduz o erro de corrente de base (ver secção de limitações)

Contabilidade para o Erro Actual de Base

Dado que Vbe e beta para ambos os transistores é o mesmo, a corrente de base para cada transistor também deve ser a mesma. Como os transistores são operados em suas regiões lineares, a corrente através do Rp é dividida entre o coletor e o ramo que alimenta as duas bases. Este erro de corrente de base representa uma das limitações primárias do espelho básico de corrente de dois transistores.

A relação corrente de saída que representa o beta finito (β) pode ser expressa como:

IOUT = I]REF × β2/(β2 + 2β)

Note que esta equação prediz que IO < IREF a menos que β → . Para transistores típicos com β = 100, isso resulta em aproximadamente 2% de erro na corrente espelhada.

Características de desempenho e limitações

Impedância de Saída

Uma característica importante do espelho de corrente é uma resistência de saída relativamente alta que ajuda a manter a corrente de saída constante, independentemente das condições de carga. A segunda é a sua resistência de saída AC, que determina quanto a corrente de saída varia com a tensão aplicada ao espelho.

Um espelho de corrente tem alta impedância de saída porque seu nó de saída está configurado de modo que as mudanças na tensão de saída produzem apenas pequenas mudanças na corrente de saída. A alta impedância de saída surge da física do dispositivo e da topologia do circuito que desacopla a corrente da tensão na saída do espelho.

Efeito precoce e resistência à saída

O VCB do Q1 no espelho é zero. Se o VCB for maior que zero no transistor de saída Q2, a corrente de colector no Q2 será um pouco maior do que o Q1 devido ao efeito Precoce. Uma das falhas na pomada é o efeito Precoce da tensão de colector na corrente de colector. Pode ser por vezes estimado a partir dos parâmetros da folha de dados se a entrada de saída (degrau) for especificada (Ee ~ hoe / corrente de teste). Um valor representativo é 1% por volt.

Como o efeito Early foi negligenciado na resolução de IO, a resistência à saída é infinita. Se incluirmos o efeito Early e assumirmos que tem um efeito negligenciável na solução de IO, a resistência à saída é dada pela tensão inicial dividida pela corrente de saída. Esta resistência à saída finita faz com que a corrente espelhada varie ligeiramente com as mudanças na tensão de saída.

Tensão de conformidade

A queda de tensão mínima na parte de saída do espelho necessária para fazê- lo funcionar corretamente. Esta tensão mínima é ditada pela necessidade de manter o transistor de saída do espelho no modo ativo. A gama de tensões onde o espelho funciona é chamada de intervalo de conformidade e a tensão que marca o limite entre o bom e o mau comportamento é chamada de tensão de conformidade.

É necessário manter o transistor de saída (BJT) fora da saturação, VCB = 0 V. Ou de outra perspectiva, não permitir que a junção de base coletor para vieses de frente. Isso significa que a menor tensão de saída que resulta na corrente de saída correta, a tensão de conformidade, é VOUT = VCV = VBE em condições de viés com o transistor de saída no nível de corrente de saída IC e com VCB = 0 V

Sensibilidade à temperatura

o espelho atual é frequentemente utilizado em circuitos bipolares, como circuitos de amplificador bipolar de baixa tensão. um problema em aplicações de baixa tensão decorre de variações na tensão base-emitter, V ser, com temperatura, que pode afetar adversamente uma corrente de referência e uma corrente espelhada. a corrente através de transistor Q rf aumenta conforme V ser é reduzida em cerca de −2 mV/° C. para um transistor bipolar de silício ou −1 mV/° C. para um transistor bipolar de heterojunção GaAs.

Neste trabalho, é proposta uma referência de corrente precisa usando a temperatura e o espelho de corrente de compensação de processo (TPC-CM). A corrente de referência independente de temperatura é gerada somando uma corrente proporcional à temperatura absoluta (PTAT) e uma corrente complementar à temperatura absoluta (CTAT). Esta técnica de compensação pode melhorar significativamente a estabilidade da temperatura em aplicações de precisão.

Topologias de espelho atual melhoradas

Degeneração do emissor

Se a corrente em um transistor aumentar, faz com que a tensão em seu resistor de emissor aumente, o que causa uma diminuição na sua tensão de emissão de base. Isto faz com que a corrente diminua, fazendo com que os dois transistores tenham correntes mais iguais. Um valor típico para os resistores de emissores pode ser 100 ?.

Um primeiro passo é conectar resistências aos emissores (ou as fontes, no caso dos transistores MOS), como ilustrado na Figura 4-7. Com as resistências de 6 k

Quando transistores inigualáveis (tipicamente discretos) são usados para um espelho, há muito se sabe que a degeneração do emissor resistivo produz um resultado muito mais previsível e uma impedância de saída eficaz mais elevada, combatendo o efeito Early. No entanto, esta melhoria vem ao custo de redução da tensão da cabeceira e aumento da tensão de conformidade mínima.

Compensação atual de base

A Figura 3 mostra o espelho de corrente básica com um terceiro transistor adicionado. Figura 3: Espelho com compensação de corrente base. Essa configuração de três transistores reduz significativamente o erro de corrente base que assola o projeto básico de dois transistores.

A Figura 11.8 mostra um espelho onde o fio simples que liga o coletor de Q1 à sua base é substituído por um tampão de seguidor de emissores. Esta melhoria ao espelho de corrente simples é referida como um espelho de seguidor de emissores aumentado. O ganho atual (ßQ3) do estágio de tampão de seguidor de emissores (Q3) reduz muito o erro de ganho causado pelas correntes de base finitas do Q1 e Q2.

Espelho atual Wilson

O circuito tem o nome de George R. Wilson, um engenheiro de design de circuito integrado que trabalhou para Tektronix. Wilson criou esta configuração em 1967 quando ele e Barrie Gilbert desafiaram uns aos outros para encontrar um espelho atual melhorado durante a noite que usaria apenas três transistores. Wilson venceu o desafio.

O espelho Wilson tem as vantagens particulares sobre alternativas que: O erro estático, a diferença de entrada-saída atual, é reduzido a níveis muito pequenos atribuíveis quase inteiramente a erros de dispositivo aleatórios, enquanto a impedância de saída é levantada por um fator de ... O circuito usa recursos mínimos.

Remove o descompasso da corrente base: Ao contrário dos projetos de espelhos simples atuais, a configuração de Wilson fica perto de eliminar erros de equilíbrio da corrente base. Isto resulta em uma precisão de corrente de saída próxima da referência atual de entrada. Alta Impedância de Saída: O circuito emprega impedância de saída muito alta devido ao feedback negativo da base T3 para T1, muito superior aos espelhos de corrente simples de dois transistores.

Um melhoramento ainda maior pode ser feito com a adição de um transistor. Este circuito, inventado por George Wilson, é naturalmente chamado de Wilson Current Mirror (designers analógicos não recebem prêmios Nobel, recebem um circuito com o nome deles).

Espelho Wilson Melhorado

Adicionando um quarto transistor ao espelho de corrente simples de Wilson na figura 11.10, temos o espelho de Wilson modificado ou melhorado. A entrada melhorada para a precisão da corrente de saída é realizada equacionando as tensões de coletor de Q1 e Q2 em 1 VBE. Isto deixa as diferenças de tensão e ß finitas de cada um dos Q1 e Q2 como as influências de desequilíbrio restantes no espelho.

Ainda há um erro sistemático no espelho de corrente Wilson básico: os dois transistores destinados a combinar não têm as mesmas tensões de coletor. Um transistor está em VBE; o outro está em 2VBE. Digite um quarto transistor (Figura 4-12). O único propósito do Q4 é baixar a tensão de coletor de Q1 para o mesmo nível que o do Q2. Com isso, vemos na Figura 4-13 que o I2 está agora dentro de 0,6% de I1 e muda em menos de 0,08% sobre a faixa de tensão de saída.

Fonte Actual do Widlar

Uma fonte de corrente Widlar é uma modificação do espelho básico de corrente de dois transistores que incorpora um resistor de degeneração do emissor para apenas o transistor de saída, permitindo que a fonte atual gere correntes baixas usando apenas valores moderados de resistor. Este circuito é nomeado para o seu inventor, Robert Widlar, e foi patenteado em 1967. O circuito Widlar pode ser usado com transistores bipolares ou transistores MOS. Um exemplo de aplicação está no agora famoso amplificador operacional uA741, e Widlar usou o circuito em muitos de seus projetos.

A Figura 11.11 é um exemplo de fonte de corrente Widlar utilizando transistores bipolares, onde o resistor R2 está conectado em série com o emissor de transistor de saída Q2, e tem o efeito de reduzir a corrente no Q2 em relação ao Q1. Esta topologia é particularmente útil quando correntes de saída muito baixas são necessárias sem usar impraticalmente valores de resistor grandes.

Espelho atual Cascode

A configuração atual do espelho do cascode empilha transistores adicionais para aumentar drasticamente a impedância de saída. A codificação multiplica ainda mais a resistência de saída quando é necessária uma rot extremamente alta. Espelho do Cascode: O rot aumenta aproximadamente pelo fator de ganho intrínseco do cascode, produzindo o rot & gt; & gt; ro de um único dispositivo.

O cascode aumenta a impedância de saída em cerca de duas ordens de magnitude, melhorando muito o desempenho. Ele também permite que Q1 e Q2 tenham condições de operação muito semelhantes, o que também melhora o desempenho. Isso torna os espelhos de cascode ideais para aplicações que requerem fontes de corrente muito estáveis com mínima sensibilidade às variações de tensão.

A principal limitação do espelho de cascode BJT é que o erro de ganho sistemático decorrente do beta finito foi grande. Para superar essa limitação, o espelho wilson é usado. A escolha entre as configurações de cascode e Wilson depende dos requisitos específicos de aplicação e prioridades de desempenho.

Aplicações de espelhos atuais do BJT

Biasing Networks

O espelho atual é usado para fornecer correntes de viés e cargas ativas para circuitos. Os espelhos atuais são amplamente usados para estabelecer pontos operacionais estáveis para transistores em estágios de amplificador. Ao contrário do viés resistivo, o viés de espelho atual proporciona rejeição superior da fonte de alimentação e estabilidade de temperatura.

Embora resistores possam ser fabricados em CIs, é mais fácil fabricar transistores. Os designers de CI evitam algumas resistores substituindo resistores de carga por fontes atuais. Um circuito como um amplificador operacional construído a partir de componentes discretos terá alguns transistores e muitos resistores. Uma versão de circuito integrado terá muitos transistores e alguns resistores. Esta diferença fundamental impulsiona o uso generalizado de espelhos atuais em projeto de circuito integrado.

Cargas Ativas em Amplificadores Diferenciais

Muitos amplificadores IC usam cargas BJT no lugar da resistência à carga, RC. A resistência à carga BJT geralmente é conectada como fonte de corrente constante com uma carga de resistência muito alta (resistência à saída da fonte atual) • Maior resistência à carga, maior ganho de saída. A figura esquerda mostra um AMP com carga ativa (constituindo Q3 e Q4).

Um amplificador diferencial apresenta dois transistores Q1 e Q2 do BJT cujos terminais emissores estão conectados entre si e a uma fonte de corrente. Quando são usados BJTs estreitamente pareados, a amplificação de modo comum é extremamente pequena e se estes dispositivos estiverem ligados termicamente, as mudanças de temperatura só têm o mesmo efeito que a aplicação de uma tensão de entrada de modo comum de mudança lenta. O circuito de amplificador diferencial mostrado na Figura 3 também usa dois espelhos de corrente – um para o viés e o outro como componente de ganho para uma saída de um único fim.

A carga ativa do espelho atual produz uma impedância interna muito alta, contribuindo assim para um ganho diferencial muito alto. Esta configuração é fundamental para estágios de entrada de amplificador operacional e outros circuitos analógicos de alto ganho.

Desenho de amplificador operacional

A maioria dos amplificadores operacionais modernos utiliza uma frente de amplificador diferencial. Em outras palavras, a primeira fase do amplificador operacional é um amplificador diferencial. Os espelhos atuais desempenham vários papéis críticos no projeto op-amp, incluindo fontes de corrente de cauda para pares diferenciais, cargas ativas para estágios de ganho de tensão e viesiamento de estágio de saída.

Frequentemente, a carga de colector de um transistor não é um resistor mas um espelho atual. Por exemplo, a carga de coletor de Q4 coletor, Ch 8 é um espelho atual (Q2). Por exemplo, um espelho atual com coletor múltiplo, saídas ver Q13 no modelo 741 op-amp, Ch 8. As saídas de espelho atuais Q13 substituir por resistências como cargas coletoras para Q15 e Q17.

Processamento de direção e sinal atual

Os espelhos atuais permitem técnicas de direção de corrente sofisticadas em multiplicadores analógicos, conversores digitais a analógicos e outros circuitos analógicos de precisão. Conversores digitais a analógicos: Os espelhos atuais podem ser usados em circuitos conversores digitais a analógicos para fornecer uma fonte de corrente precisa proporcional ao código de entrada digital.

Em multiplicadores analógicos e amplificadores de ganho variável, espelhos atuais permitem o controle preciso de correntes de sinal, mantendo alta linearidade e baixa distorção. A capacidade de escalar correntes por razões de área transistor torna espelhos atuais ideais para implementar fontes de corrente ponderadas em redes de escada DAC.

Reguladores de tensão e referências

Reguladores de tensão: Os espelhos de corrente podem ser usados em circuitos reguladores de tensão para fornecer uma corrente constante a uma carga, independentemente das mudanças na tensão de entrada ou resistência à carga. As referências de tensão de faixa, que são fundamentais para sistemas analógicos de precisão, dependem fortemente de circuitos espelho de corrente para gerar tensões de referência compensadas por temperatura.

Os espelhos atuais também servem como blocos de construção essenciais em reguladores de baixa desmancha (LDO), proporcionando correntes de viés estáveis para amplificadores de erro e transistores de passagem, mantendo altas taxas de rejeição de fonte de energia.

Aplicações de Sensibilidade Actual

Muitas aplicações como veículos eléctricos (EV) ou híbridos ligeiros (HEV), por exemplo, exigem que a corrente de carga seja extraída de uma bateria para ser sentida perto da própria bateria. A corrente deve ser convertida para uma tensão que esteja dentro do intervalo de entrada de um conversor analógico- digital (ADC) ou de um microcontrolador e, por conseguinte, deve ter uma pequena magnitude. Isto pode ser feito usando o circuito de detecção de corrente mostrado na Figura 5, onde V1 representa a tensão da bateria de 48 V e I1 é a corrente de carga desenhada a partir dela. Claramente, este circuito é baseado em dois espelhos de corrente - um par de NPN BJTs e outro par de PNPs. Uma carga está ligada à bateria através de uma resistência de detecção de corrente de 50 m Que significa que, para uma corrente de carga máxima de 10 A, a tensão de entrada no circuito de detecção será 0,5 V.

Drivers LED e aplicações de exibição

Defina uma corrente precisa através de um LED usando um espelho de corrente. Ao contrário de um resistor simples (cuja corrente muda com tensão de alimentação e variação de VF LED), um espelho de corrente mantém exatamente a corrente definida, independentemente das flutuações de fornecimento — tornando o brilho do LED consistente. Esta aplicação é particularmente importante em retroiluminação de ecrã, luzes indicadoras e sistemas de iluminação automóvel onde o brilho consistente é crítico.

Conceber Considerações e Boas Práticas

Técnicas de layout para correspondência

O layout cuidadoso e o design do transistor devem ser usados para minimizar esta fonte de erro. Por exemplo, o Q1 e o Q2 podem ser implementados como um par de transistores paralelos dispostos como um quad acoplado em um layout comum- centrical para reduzir os efeitos dos gradientes locais no ganho atual. Se o espelho for usado em um nível de viés fixo, os resistores correspondentes nos emissores deste par podem transferir alguns dos problemas correspondentes dos transistores para esses resistores.

Os pares de matrizes em cada pacote são colhidos especificamente da mesma área de wafer para minimizar a possibilidade de desvios no processo de fabricação. Em projeto de circuito integrado, técnicas de layout de centroide comum e estruturas transistor interdigitados ajudam a minimizar os efeitos de gradientes de processo e gradientes térmicos em toda a matriz.

Gestão térmica

Além disso, o Q2 pode ficar substancialmente mais quente que o Q1 devido à dissipação de potência mais elevada associada. Para manter a correspondência, a temperatura dos transistores deve ser quase a mesma. Em circuitos integrados e matrizes transistor onde ambos os transistores estão no mesmo dado, isso é fácil de alcançar. Mas se os dois transistores estão amplamente separados, a precisão do espelho atual é comprometida.

Para implementações discretas, a proximidade física e o acoplamento térmico são essenciais. Montar transistores combinados no mesmo dissipador de calor ou usar pacotes de transistores duplos garante o rastreamento térmico. Em aplicações de alta potência, o design térmico cuidadoso evita diferenciais de temperatura que degradariam a precisão do ajuste.

Considerações sobre a fonte de energia

A tensão mínima de alimentação para um espelho de corrente deve acomodar a tensão de conformidade mais qualquer voltagem cai através de resistências de fixação de corrente. Para espelhos básicos, isso normalmente requer pelo menos V[BE + V[ CE,sat[, aproximadamente 1V para BJTs de silício. Topologias mais complexas como Wilson ou espelhos cascode requerem uma nova cabeceira.

O ruído de alimentação pode se juntar à corrente de referência, degradando o desempenho do espelho. Condensadores de dissociação adequados e um design cuidadoso da rede de distribuição de energia minimizam esses efeitos. Em aplicações de precisão, usar uma fonte regulada separada para a corrente de referência pode melhorar significativamente o desempenho.

Resposta à Frequência e Estabilidade

Problemas de Resposta à Frequência: A operação de alta frequência cria instabilidade no circuito de retroalimentação negativa. As capacidades parasitárias dos transistores, particularmente a capacitância do colector de base, podem criar pólos na função de transferência que limitam a largura de banda ou causam instabilidade nas configurações de retroalimentação.

Outra consequência da adição do tampão de seguidor de emissor é, em geral, uma perda na resposta de frequência do espelho. O transistor Q3 está potencialmente operando em uma corrente muito pequena de 2IB. Se houver uma capacidade significativa para aterrizar na conexão de base comum ao Q1 e Q2 a corrente disponível para descarregar esta corrente também será pequena igual a 2IB. Atenção cuidadosa às capacitâncias parasitárias e correntes operacionais é essencial para aplicações de alta frequência.

Tópicos Avançados e Desenvolvimentos Modernos

Operação de baixa tensão

Esta diferença aumenta quando os transistores partilham um terminal de corpo comum e o efeito do corpo em M4 aumenta a sua tensão limite. No lado de saída do espelho, a tensão mínima para o solo é ... Esta tensão é susceptível de ser significativamente maior do que 1,0 volts. Ambas as diferenças potenciais deixam uma sala de comando insuficiente para os circuitos que fornecem a corrente de entrada e usa a corrente de saída, a menos que a tensão de alimentação seja superior a 3 volts. Muitos circuitos integrados contemporâneos são projetados para usar fontes de energia de baixa tensão para acomodar as limitações dos transistores de canal curto, para atender à necessidade de dispositivos operados por bateria e para ter alta eficiência de potência em geral. O resultado é que os novos projetos tendem a usar alguma variante de uma configuração de corrente de oscilação ampla de corrente de espelho.

Os projetos modernos de baixa tensão empregam topologias especializadas que minimizam os requisitos de tensão na sala de cabeceira, mantendo o desempenho adequado. Estes incluem espelhos reforçados, configurações de cascode reguladas e esquemas de viés adaptativo que otimizam o desempenho em diferentes tensões de alimentação.

Técnicas de Compensação de Processos

Para calibrar a variação do processo, o TPC-CM proposto utiliza dois espelhos binários de corrente ponderada que controlam o coeficiente de temperatura e a magnitude da corrente de referência. Após a medição das correntes PTAT e CTAT, os códigos de switch do TPC-CM são fixados de modo que a magnitude da corrente de referência seja independente da temperatura. E, os códigos são armazenados na memória não volátil. Na simulação, o efeito da variação do processo é reduzido para 0,52% de 19,7% após a calibração usando um TPC-CM em chip-by-chip.

Técnicas de aparamento e calibração digitais permitem que os espelhos atuais modernos atinjam níveis de precisão anteriormente inalcançáveis. Ao medir e compensar as variações de processo durante os testes de produção, os fabricantes podem garantir especificações apertadas entre lotes de produção e condições operacionais.

Projetos de Impedância de Alta Saída

O espelho atual é um dos elementos chave no design de circuito analógico. Para aplicações de circuito analógico de alto desempenho, a precisão e impedância de saída são os parâmetros mais importantes para determinar o desempenho do espelho atual. Neste artigo, um novo espelho atual é proposto para fornecer alta precisão e impedância de saída muito alta. Um novo estágio de ganho de feedback é usado para aumentar significativamente a impedância de saída e correspondência de precisão. Além disso, o novo espelho atual proposto também tem um balanço de saída semelhante ao tradicional espelho atual cascode de dois estágios.

As topologias avançadas empregam várias loops de feedback e técnicas de aumento de ganho para alcançar impedâncias de saída na faixa gigaohm. Esses espelhos de impedância ultra-alta são essenciais para instrumentação de precisão, conversores de dados de alta resolução e outras aplicações onde a qualidade atual da fonte impacta diretamente o desempenho do sistema.

Resolução de problemas e problemas comuns

Problemas de Mismatch

k1 é chamado de fator atual e idealmente, deve ter um valor de 1 ou outro valor determinado pela razão entre os valores selecionados para R1 e R2. IOUT deve rastrear IIN através da gama de valores de corrente de entrada exigidos pelo desenho, no entanto, mesmo pequenas diferenças nas características físicas dos BJTs, como por exemplo, se eles têm diferentes valores de VBE e/ou hfe então k1 irá se desviar do valor desejado. Isto torna mais difícil controlar IOUT precisamente e, portanto, para definir o comportamento do circuito que é tendenciosa.

Quando os circuitos de espelho de corrente de solução de problemas, verifique se os transistores são corretamente combinados e operando em suas regiões ativas.Meça VBE voltagens para confirmar correspondência, e verifique as tensões do coletor para garantir que nenhum transistor entrou na saturação. Diferenças de temperatura entre transistores muitas vezes se manifestam como erros de corrente sistemáticos que variam com dissipação de energia.

Saturação e conformidade

Uma das falhas mais comuns nos circuitos de espelho de corrente ocorre quando o transistor de saída entra em saturação devido à tensão insuficiente de saída do coletor. Isto acontece normalmente quando a resistência à carga é muito grande ou a tensão de alimentação muito baixa. Verifique sempre que a tensão de saída permanece acima da tensão de conformidade em todas as condições operacionais.

Em circuitos com cargas variáveis, podem ocorrer violações dinâmicas de conformidade durante os transientes. Adicionando condensadores de bypass e garantindo margens de tensão adequadas evitam essas questões.Para aplicações críticas, circuitos de monitoramento podem detectar violações de conformidade e desencadear ações de proteção.

Oscilação e instabilidade

Espelhos atuais com feedback, particularmente configurações Wilson, podem oscilar se as capacitâncias parasitárias criarem deslocamento excessivo de fase. Pequenos capacitores de compensação em nós críticos podem estabilizar o circuito. No entanto, compensação excessiva degrada a resposta de frequência, exigindo otimização cuidadosa.

As loops de terra e a desacoplamento de fonte de alimentação fraca podem injetar ruído na corrente de referência, causando variações de corrente de saída. As técnicas de aterramento de estrelas e os capacitores de dissociação locais minimizam esses efeitos. Em sistemas de sinal misto, separar motivos analógicos e digitais impede que o ruído de comutação digital corrompa correntes analógicas.

Medição e caracterização

Caracterização DC

Para caracterizar totalmente um espelho de corrente, meça a corrente de saída versus tensão de saída em toda a faixa de conformidade. Esta curva I-V revela a tensão de conformidade, impedância de saída e qualquer comportamento não ideal. Varrer a corrente de referência para verificar linearidade e precisão de ganho de corrente em toda a faixa de operação.

A caracterização da temperatura requer medições em toda a faixa de temperatura especificada, tipicamente -40°C a +125°C para aplicações comerciais. Plot corrente de saída versus temperatura em corrente de referência fixa e tensão de saída para quantificar o coeficiente de temperatura.

Desempenho AC

A caracterização AC envolve a medição da impedância de saída versus frequência e a determinação da largura de banda do espelho atual. A análise AC de pequeno sinal revela pólos e zeros na função de transferência. Para os espelhos utilizados em aplicações dinâmicas, as medições de resposta transiente mostram as características de tempo de fixação e sobreposição.

As medições de ruído são fundamentais para aplicações de precisão. Medir a densidade espectral de ruído de saída na faixa de frequência de interesse. O ruído do Flicker domina em baixas frequências, enquanto o ruído térmico define o piso de ruído em frequências mais altas.

Recursos de Design Prático

Para engenheiros que projetam espelhos atuais BJT, vários recursos excelentes fornecem profundidade adicional e orientação prática. O site Analog Devices oferece extensas notas de aplicação e ferramentas de design para circuitos atuais de espelhos. Texas Instruments fornece guias de design analógico abrangentes que cobrem fontes atuais e técnicas de viés.

Para aprendizado prático, o panificação de circuitos de espelho de corrente simples com componentes discretos fornece uma intuição inestimável. Comece com um espelho básico de dois transistores usando transistores de pequeno sinal compatíveis como o BC547 ou 2N3904. Meça o desempenho, então progressivamente implemente topologias melhoradas para observar os benefícios em primeira mão.

As ferramentas de simulação SPICE permitem análises detalhadas antes de se comprometer com hardware. Os simuladores modernos incluem análise de Monte Carlo para avaliar os efeitos das tolerâncias de componentes, varreduras de temperatura para caracterização térmica e análise de AC para resposta à frequência.

Conclusão

Os espelhos atuais do BJT representam blocos de construção fundamentais no design de circuitos analógicos, oferecendo soluções elegantes para replicação atual, vieses e carregamento ativo. Enquanto a configuração básica de dois transistores fornece um ponto de partida simples, entender as limitações e melhorias disponíveis permite que os designers selecionem topologias apropriadas para aplicações específicas.

Desde redes de viés simples até amplificadores operacionais sofisticados, espelhos atuais permitem a funcionalidade que seria impraticável ou impossível com componentes passivos sozinhos. A capacidade de gerar correntes precisas e estáveis com área mínima de silício torna os espelhos atuais indispensáveis no design de circuito integrado moderno.

O sucesso com o projeto atual de espelhos requer atenção para o acoplamento de transistores, gerenciamento térmico, técnicas de layout e condições operacionais. Ao aplicar os princípios e cálculos descritos neste guia, os engenheiros podem projetar espelhos robustos que atendam às exigentes especificações de desempenho em relação à temperatura, variações de processo e condições operacionais.

À medida que a tecnologia de semicondutores continua avançando para tensões mais baixas e geometrias menores, o design de espelhos atuais evolui para enfrentar novos desafios. As topologias de baixa tensão, técnicas de calibração digital e métodos avançados de compensação garantem que os espelhos atuais permaneçam relevantes e eficazes em sistemas analógicos e mistos de próxima geração.