Проектирование зеркал тока Bjt: пошаговые расчеты и приложения

Посмотреть BJT Current Mirrors

Зеркало тока представляет собой схему, предназначенную для копирования тока через одно активное устройство путем управления током в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянную выходного тока независимо от нагрузки.Эти фундаментальные строительные блоки необходимы в конструкции аналоговых интегральных схем, выполняя критические роли в смещающихся сетях, активных нагрузках и приложениях текущего регулирования.

Простейшее биполярное зеркало тока реализует эту идею и состоит из двух каскадных транзисторных ступеней, действующих соответственно как преобразователи обратного и прямого напряжения-тока. Базовая конфигурация обычно включает в себя два сопоставленных транзистора, причем один транзистор устанавливает опорный ток, а другой его зеркалирует. Простая двух транзисторная реализация токового зеркала основана на фундаментальной связи, что два транзистора одинакового размера при одной и той же температуре с одинаковым VBE для BJT имеют одинаковый ток стока или коллектора.

Принцип работы основан на экспоненциальной связи между напряжением базового эмиттера и током коллектора в биполярных транзисторах перехода.Излучатель транзистора Q1 соединен с землей, его коллектор и основание связаны вместе, поэтому его напряжение коллекторного основания равно нулю, и, следовательно, падение напряжения по Q1 является VBE, то есть это напряжение устанавливается законом диода и Q1 называется диодным подключенным. Эта конфигурация, связанная с диодом, создает логарифмический преобразователь тока в напряжение, который устанавливает базовое напряжение для выходного транзистора.

Основные принципы дизайна

Требования к соответствию транзисторов

Важно иметь Q1 в цепи вместо простого диода, потому что Q1 устанавливает VBE для транзистора Q2. Если Q1 и Q2 совпадают, то есть имеют по существу те же свойства устройства, и если выбрано выходное напряжение зеркала, то напряжение коллекторной базы Q2 также равно нулю, то значение VBE, установленное Q1, приводит к току излучателя в сопоставленном Q2, который является таким же, как ток излучателя в Q1.

Поскольку температура является фактором в «диодном уравнении», и мы хотим, чтобы два PN-перехода вели себя одинаково при всех условиях работы, мы должны поддерживать два транзистора при одинаковой температуре. Это легко сделать с помощью дискретных компонентов, склеивая двухтранзисторные корпуса друг к другу. Если транзисторы изготовлены вместе на одном чипе кремния (как так называемая интегральная схема или ИС), разработчики должны найти два транзистора близко друг к другу, чтобы облегчить теплообмен между ними.

Для вышеперечисленных применений рекомендуется использовать двойные BJT (два BJT, собранные в единый пакет). Это гарантирует, что температура обоих кристаллов будет практически идентичной, поскольку два транзистора физически соседствуют друг с другом. Дополнительно, с помощью сопоставленных устройств гарантируется, что электрические параметры транзисторной пары практически идентичны, обеспечивая практически идеально симметричное поведение.

Текущее масштабирование и получение

Если транзисторы Q1 и Q2 на рисунке 11.4 идентичны (то есть имеют одинаковый размер эмиттера и, следовательно, равны IS), то отношение входного тока к выходному току или коэффициент усиления в идеале 1. Нередко бывают случаи, когда требуется коэффициент усиления, отличный от единицы. При построении схем из дискретных устройств возможны только простые целочисленные соотношения, тогда как в микроэлектронных интегральных схемах можно сделать транзисторы с произвольными зонами эмиттера, A.

Если Q2 и Q3 являются транзисторами равной площади, то нагрузочные токи Iload будут равны. Если нам нужна 2·Iload, параллельные Q2 и Q3. Лучше всего изготовить один транзистор, скажем Q3 с удвоенной площадью Q2. Ток I3 тогда будет вдвое больше I2. Другими словами, нагрузка токов масштабируется с областью транзистора. Эта возможность масштабирования делает токовые зеркала чрезвычайно универсальными для генерации множественных токов смещения из одной ссылки.

Поэтапный процесс расчета

Определение справочного тока

Процесс проектирования начинается с выбора опорного тока на основе требований схемы. Опорный ток обычно устанавливается с использованием резистора, соединенного между напряжением питания и подключенным к диоду транзистором. Для базового зеркала тока значение опорного резистора рассчитывается с использованием фундаментального соотношения:

R_REF = (V_CC — V_BE/I_REF

Если V_CC является напряжением питания, V_BE является напряжением базового эмиттера (обычно 0,6-0,7 В для кремниевых BJT), а I_REF является желаемым эталонным током.

Пример практического дизайна

Давайте разработаем практическое зеркало тока для выходного тока 1 мА от источника 12 В. Установим Iref = Iout = 1 мА (для зеркала 1:1). Мы хотим, чтобы Iref текла через Rref от VCC. Rref = (VCC - VBE) / Iref = (12 - 0,7) / 0,001 = 11,3 В / 1 мА = 11,3 кОм.

Используйте ближайшее стандартное значение: 11 кОм (придающий Iref = 1,027 мА). 10 кОм в серии Е12 дает 1,13 мА — приемлемое для большинства применений. Это демонстрирует практический подход к использованию стандартных значений резисторов и принятию небольших отклонений от идеальных значений конструкции.

Критерии выбора транзисторов

Для зеркала тока 1 мА работает практически любой транзистор NPN малого сигнала.Ключевые требования: VCEO ≥ VCC (12 В в этом примере) - большинство транзисторов малого сигнала имеют номинальный минимум 25 В-40 В · IC max ≥ Iout с запасом прочности (например, BC547 обрабатывает 100 мА, легко обрабатывает 1 мА) Высокий hFE (токовый коэффициент усиления) - уменьшает ошибку тока базы (см. раздел ограничений)

Учет текущей базовой ошибки

Учитывая, что Vbe и бета для обоих транзисторов одинаковы, ток базы для каждого транзистора также должен быть одинаковым. Поскольку транзисторы работают в своих линейных областях, ток через Rp разделяется между коллектором и ветвью, питающей два основания. Эта ошибка тока базы представляет собой одно из основных ограничений основного двухтранзисторного зеркала тока.

Выходное отношение тока, учитывающее конечную бета (β), может быть выражено как:

I_OUT = I_REF × β2/(β2 + 2β)

Обратите внимание, что это уравнение предсказывает, что IO < IREF, если β →∞. Для типичных транзисторов с β = 100 это приводит к примерно 2% ошибке в зеркальном токе.

Характеристики и ограничения производительности

Импеданс выхода

Важной особенностью текущего зеркала является относительно высокое выходное сопротивление, которое помогает поддерживать постоянную выходную ток независимо от условий нагрузки.Второй — его выходное сопротивление переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток изменяется при напряжении, приложенном к зеркалу.

Зеркало тока имеет высокое выходное импеданс, поскольку его выходной узел сконфигурирован так, что изменения выходного напряжения производят лишь небольшие изменения выходного тока. Высокое выходное импеданс возникает из физики устройства и топологии схемы, которая отделяет ток от напряжения на выходе зеркала.

Ранний эффект и выходное сопротивление

VCB Q1 в зеркале равен нулю. Если VCB больше нуля в выходном транзисторе Q2, ток коллектора в Q2 будет несколько больше Q1 из-за раннего эффекта. Одним из недостатков в мази является раннее влияние напряжения коллектора на ток коллектора. Иногда его можно оценить по параметрам таблицы данных, если указан выходной допуск (голубь) (Ee ~ мотыга / испытательный ток). Представительное значение составляет 1% на вольт.

Поскольку Ранний эффект был проигнорирован при решении для IO, выходное сопротивление бесконечно. Если мы включим Ранний эффект и предположим, что он имеет незначительный эффект в решении для IO, выходное сопротивление задается Ранним напряжением, разделенным выходным током. Это конечное выходное сопротивление заставляет зеркальный ток слегка изменяться с изменениями выходного напряжения.

Напряжение соответствия

Минимальное падение напряжения на выходной части зеркала, необходимое для того, чтобы оно работало должным образом. Это минимальное напряжение диктуется необходимостью держать выходной транзистор зеркала в активном режиме. Диапазон напряжений, где работает зеркало, называется диапазоном соответствия, а напряжение, обозначающее границу между хорошим и плохим поведением, называется напряжением соответствия.

Необходимо удерживать выходной (BJT) транзистор от насыщения, VCB = 0 В. Или с другой точки зрения не позволять смещению базы коллектора. Это означает, что наименьшее выходное напряжение, которое приводит к правильному выходному току, напряжению соответствия, является VOUT = VCV = VBE в условиях смещения с выходным транзистором на выходном уровне тока IC и с VCB = 0 В.

Температурная чувствительность

Зеркало тока часто используется в биполярных схемах, таких как биполярные усилительные схемы низкого напряжения. проблема в приложениях низкого напряжения возникает из-за изменений напряжения базового эмиттера, V, с температурой, которая может отрицательно влиять на опорный ток и зеркальный ток. ток через транзистор Q rf увеличивается, поскольку V уменьшается при около -2 мВ/°С. для кремниевого биполярного транзистора или -1 мВ/°С. для биполярного транзистора с гетеропереходом GaAs.

В настоящей работе предлагается точная эталонная величина тока с использованием зеркала тока температуры и компенсации процесса (TPC-CM). Независимое от температуры эталонное значение тока генерируется путем суммирования пропорционального абсолютной температуре (PTAT) тока и комплементарного абсолютной температуре (CTAT) тока. Этот метод компенсации может значительно улучшить стабильность температуры в прецизионных приложениях.

Улучшенные современные зеркальные топологии

Дегенерация эмиттера

Для получения лучшего соответствия между входным и выходным токами необходимо использовать рядные излучатели-резисторы на транзисторах. Если ток в одном транзисторе увеличивается, то это вызывает увеличение напряжения на его излучателе-резисторе, что вызывает снижение напряжения его базового эмиттера. Это вызывает уменьшение тока, в результате чего два транзистора имеют более равные токи. Типичное значение для излучателей-резисторов может составлять 100 Ом.

Первый шаг заключается в подключении резисторов к излучателям (или источникам, в случае МОС-транзисторов), как показано на рисунке 4-7. При сопротивлении 6 кОм, которое мы используем в этом примере, мы падаем на 300 мВ по резисторам. Если ток в Q2 хочет быть выше, чем I1, это также вызовет более высокое падение напряжения по R2. Это увеличение падения напряжения по R2 снизило напряжение базового эмиттера (VBE) Q2. Этот отрицательный эффект обратной связи заставляет I2 вернуться туда, где он более или менее равен I1.

Когда для зеркала используются непревзойденные (обычно дискретные) транзисторы, давно известно, что резистивная дегенерация эмиттера дает гораздо более предсказуемый результат и более высокий эффективный выходной импеданс, борясь с ранним эффектом. Однако это улучшение происходит за счет уменьшения напряжения головного убора и увеличения минимального напряжения соответствия.

База текущих компенсаций

На рисунке 3 показано основное зеркало тока с добавлением третьего транзистора. Рисунок 3: Зеркало с компенсацией тока основания. Эта трехтранзисторная конфигурация значительно уменьшает ошибку тока основания, которая поражает базовую двухтранзисторную конструкцию.

На рисунке 11.8 показано зеркало, в котором простой провод, соединяющий коллектор Q1 с его основанием, заменяется буфером-последователем эмиттера. Это улучшение к простому зеркалу тока называется расширенным зеркалом-последователем эмиттера. Повышение тока (βQ3) буферной стадии (Q3) эмиттера-последователя значительно уменьшает ошибку усиления, вызванную конечными токами базы Q1 и Q2.

Нынешнее зеркало Уилсона

Схема названа в честь Джорджа Р. Уилсона, инженера по проектированию интегральных схем, который работал на Tektronix. Уилсон разработал эту конфигурацию в 1967 году, когда он и Барри Гилберт бросили вызов друг другу, чтобы найти улучшенное зеркало тока за одну ночь, которое будет использовать только три транзистора. Уилсон выиграл испытание.

Зеркало тока Уилсона имеет особые преимущества перед альтернативами, которые: статическая ошибка, разница тока вход-выход, сводится к очень небольшим уровням, почти полностью обусловленным случайными несоответствиями устройства, в то время как импеданс вывода повышается с коэффициентом ... Схема использует минимальные ресурсы.

Устраняет несоответствие тока базы: В отличие от простых конструкций зеркала тока, конфигурация Уилсона приближается к устранению ошибок баланса тока базы. Это приводит к точности тока вывода, близкой к исходному току входного тока. Высокое выходное сопротивление: схема использует очень высокое импеданс выхода из-за отрицательной обратной связи от основания T3 до T1, намного превосходящее простые двухтранзисторные токовые зеркала.

Еще большее улучшение можно сделать с добавлением транзистора. Эта схема, изобретенная Джорджем Уилсоном, естественно называется зеркалом тока Уилсона (аналоговые дизайнеры не получают Нобелевских премий, они получают схему, названную в их честь).

Улучшенное зеркало Уилсона

Добавление четвертого транзистора к простому зеркалу тока Уилсона на рисунке 11.10, мы имеем модифицированное или улучшенное зеркало Уилсона. Улучшенная точность ввода-вывода тока достигается путем выравнивания коллекторных напряжений Q1 и Q2 при 1 VBE. Это оставляет конечные ß и разности напряжений каждого из Q1 и Q2 в качестве оставшихся неуравновешивающих воздействий в зеркале.

В основном зеркале тока Уилсона все еще существует систематическая ошибка: два транзистора, предназначенные для соответствия, не имеют одинаковых напряжений коллектора. Один транзистор находится на VBE; другой на 2VBE. Введите четвертый транзистор (рисунок 4-12). Единственная цель Q4 - снизить напряжение коллектора Q1 до того же уровня, что и Q2. С этим мы видим на рисунке 4-13, что I2 теперь находится в пределах 0,6% от I1 и изменяется менее чем на 0,08% по диапазону выходного напряжения.

Источник Widlar Current Source

Источник тока Widlar представляет собой модификацию базового двухтранзисторного зеркала тока, которое включает в себя резистор дегенерации излучателя только для выходного транзистора, что позволяет источнику тока генерировать низкие токи с использованием только умеренных значений резистора. Эта схема названа в честь ее изобретателя Роберта Видлара и была запатентована в 1967 году. Схема Widlar может использоваться с биполярными транзисторами или МОС-транзисторами. Пример применения находится в теперь известном операционном усилителе uA741, и Видлар использовал схему во многих своих конструкциях.

Рисунок 11.11 является примером источника тока Видлара с использованием биполярных транзисторов, где излучатель резистор R2 соединен последовательно с излучателем выходного транзистора Q2 и имеет эффект уменьшения тока в Q2 относительно Q1. Эта топология особенно полезна, когда требуются очень низкие выходные токи без использования импрактически больших значений резистора.

Какоды для Current Mirror

Каскодирование текущей конфигурации зеркала стекает дополнительные транзисторы, чтобы резко увеличить импеданс выхода. Каскодирование дополнительно умножает выходное сопротивление, когда требуется чрезвычайно высокий Rout. Каскод зеркала: Rout увеличивается примерно на внутренний коэффициент усиления каскода, производя Rout > > ro одного устройства.

Каскод повышает импеданс выхода примерно на два порядка, значительно улучшая производительность. Он также позволяет Q1 и Q2 иметь очень похожие условия работы, что также улучшает производительность. Это делает зеркала каскода идеальными для приложений, требующих очень стабильных источников тока с минимальной чувствительностью к изменениям напряжения.

Основным ограничением каско-зеркала BJT является то, что системная ошибка усиления, вытекающая из конечной бета-версии, была большой. Для преодоления этого ограничения используется зеркало Уилсона. Выбор между конфигурациями каскода и Уилсона зависит от конкретных требований приложения и приоритетов производительности.

Обсуждение BJT Current Mirrors

Предвзятые сети

Зеркало тока используется для обеспечения токов смещения и активных нагрузок на цепи. Зеркала тока широко используются для установления стабильных рабочих точек для транзисторов на стадиях усилителя. В отличие от резистивного смещения, перекос зеркала тока обеспечивает превосходное отторжение источника питания и стабильность температуры.

В то время как резисторы могут быть изготовлены в ИС, проще изготовить транзисторы. Конструкторы ИС избегают некоторых резисторов, заменяя нагрузочные резисторы источниками тока. Схема, подобная операционному усилителю, построенному из дискретных компонентов, будет иметь несколько транзисторов и много резисторов. Версия интегральной схемы будет иметь много транзисторов и несколько резисторов. Это фундаментальное различие стимулирует широкое использование токовых зеркал в конструкции интегральной схемы.

Активные нагрузки в дифференциальных усилителях

Многие усилители ИС используют нагрузки BJT вместо сопротивления нагрузки, RC. Резистор нагрузки BJT обычно подключается в качестве источника постоянного тока с очень высокой нагрузкой сопротивления (сопротивление выхода источника тока) • Более высокое сопротивление нагрузки, более высокий выходной коэффициент. Левая фигура показывает AMP с активной нагрузкой (состоящий из Q3 и Q4).

Дифференциальный усилитель имеет два транзистора Q1 и Q2, чьи эмиттерные терминалы соединены вместе и с источником тока. При использовании близко совпадающих BJT амплификаций в общем режиме чрезвычайно мало, и если эти устройства тесно связаны, изменения температуры имеют только тот же эффект, что и при применении медленно меняющегося входного напряжения в общем режиме. Схема дифференциального усилителя, показанная на рисунке 3, также использует два зеркала тока - одно для смещения, а другое действует как компонент усиления для однократного вывода.

Текущая активная нагрузка зеркала создает очень высокий внутренний импеданс, что способствует очень высокому дифференциальному коэффициенту усиления. Эта конфигурация имеет основополагающее значение для рабочих ступеней ввода усилителя и других аналоговых схем с высоким коэффициентом усиления.

Проектирование операционного усилителя

Большинство современных операционных усилителей используют дифференциальный усилитель передней части. Иными словами, первая ступень операционного усилителя является дифференциальным усилителем. Зеркала тока играют несколько критических ролей в конструкции операционного усилителя, включая источники тока хвоста для дифференциальных пар, активные нагрузки для стадий усиления напряжения и смещения выходной стадии.

Часто коллекторная нагрузка транзистора является не резистором, а зеркалом тока. Например, коллекторная нагрузка коллектора Q4, Ch 8 является зеркалом тока (Q2). Для примера зеркала тока с несколькими коллекторами выходы см. Q13 в модели 741 op-amp, Ch 8. Токовое зеркало Q13 выводит замену резисторов в качестве коллекторных нагрузок для Q15 и Q17.

Текущее управление и обработка сигналов

Современные зеркала позволяют использовать сложные методы управления током в аналоговых множителях, цифровых аналоговых преобразователях и других прецизионных аналоговых схемах. Цифровые аналоговые преобразователи: современные зеркала могут использоваться в цифровых аналоговых преобразователях для обеспечения точного источника тока, пропорционального цифровому входному коду.

В аналоговых множителях и усилителях переменного усиления токовые зеркала позволяют точно управлять токами сигнала при сохранении высокой линейности и низкого искажения.Способность масштабировать токи по соотношениям площади транзистора делает токовые зеркала идеальными для реализации взвешенных источников тока в сетях лестницы DAC.

Регуляторы напряжения и ссылки

Регуляторы напряжения: Зеркала тока могут использоваться в цепях регулятора напряжения для обеспечения постоянного тока нагрузки, независимо от изменений входного напряжения или сопротивления нагрузки. Ссылки на напряжение Bandgap, которые являются фундаментальными для прецизионных аналоговых систем, в значительной степени полагаются на схемы зеркала тока для генерации опорных напряжений с компенсацией температуры.

Зеркала тока также служат важными строительными блоками в регуляторах с низким уровнем выпадения (LDO), обеспечивая стабильные токи смещения для усилителей ошибок и транзисторов пропуска при сохранении высоких коэффициентов отбраковки источника питания.

Текущие сенсорные приложения

Многие приложения, такие как электрические (EV) или легкогибридные транспортные средства (HEV), например, требуют, чтобы ток нагрузки, извлекаемый из батареи, ощущался близко к самой батарее.Ток должен быть преобразован в напряжение, которое находится в диапазоне входа аналого-цифрового преобразователя (ADC) или микроконтроллера, и поэтому он должен иметь небольшую величину. Это можно сделать с использованием схемы измерения тока, показанной на рисунке 5, где V1 представляет напряжение батареи 48 В, а I1 - ток нагрузки, извлекаемый из нее. Очевидно, что эта схема основана на двух зеркалах тока - одной паре NPN BJT и другой паре PNP. Нагрузка подключается к батарее через резистор датчика тока 50 мОм, что означает, что для максимального тока нагрузки 10 А входное напряжение в цепь датчика будет 0,5 В.

LED драйверы и дисплейные приложения

Установите точный ток через светодиод с использованием зеркала тока. В отличие от простого резистора (ток которого изменяется с изменением напряжения питания и светодиодного VF), зеркало тока поддерживает точно установленный ток независимо от колебаний питания - что делает яркость светодиода согласованной. Это приложение особенно важно в подсветке дисплея, индикаторных огнях и автомобильных системах освещения, где постоянная яркость имеет решающее значение.

Дизайн-соображения и лучшие практики

Методы расстановки для сопоставления

Тщательная компоновка и конструкция транзистора должны использоваться для минимизации этого источника ошибки. Например, Q1 и Q2 могут быть реализованы как пара параллельных транзисторов, расположенных как сцепленный квадрат в общей-центрической компоновке, чтобы уменьшить эффекты локальных градиентов в увеличении тока. Если зеркало должно использоваться на фиксированном уровне смещения, совпадающие резисторы в излучателях этой пары могут передавать некоторые проблемы соответствия от транзисторов к этим резисторам.

Пара кристаллов в каждой упаковке специально собирают из одной и той же области пластины, чтобы минимизировать возможность отклонений в производственном процессе.В конструкции интегральных схем методы компоновки с использованием общих центроидов и межцифровые транзисторные структуры помогают минимизировать эффекты градиентов процесса и тепловых градиентов по всему кристаллу.

Термический менеджмент

Кроме того, Q2 может стать существенно горячее Q1 из-за связанного с этим более высокого рассеивания мощности. Для поддержания соответствия температура транзисторов должна быть почти одинаковой. В интегральных схемах и транзисторных массивах, где оба транзистора находятся на одном кристалле, этого легко достичь. Но если два транзистора широко разделены, точность текущего зеркала скомпрометирована.

Для дискретных реализаций важна физическая близость и тепловая связь. Монтаж согласованных транзисторов на одном и том же теплоотводе или использование двойных транзисторных пакетов обеспечивает тепловое отслеживание. В мощных приложениях тщательная тепловая конструкция предотвращает перепады температур, которые ухудшают точность соответствия.

Рассмотрение вопроса о энергоснабжении

Минимальное напряжение питания для текущего зеркала должно соответствовать напряжению соответствия плюс любые падения напряжения на токоустанавливающих резисторах. Для основных зеркал это обычно требует по меньшей мере V_BE + V_CE,sat, примерно 1V для кремниевых BJT. Более сложные топологии, такие как Уилсон или каскодовые зеркала, требуют дополнительного заднего вида.

Шум источника питания может соединяться с эталонным током, ухудшая зеркальную производительность. Правильные разъединяющие конденсаторы и тщательная конструкция распределительной сети питания минимизируют эти эффекты. В прецизионных приложениях использование отдельного регулируемого источника для эталонного тока может значительно улучшить производительность.

Частотный отклик и стабильность

Проблемы частотного отклика: Высокочастотная операция создает нестабильность в петле отрицательной обратной связи.Паразитные емкости транзисторов, в частности емкость базы-коллектора, могут создавать полюса в функции передачи, ограничивающие полосу пропускания или вызывающие нестабильность конфигураций обратной связи.

Еще одним следствием добавления буфера последователя излучателя является, в общем, потеря частотной реакции зеркала. Транзистор Q3 потенциально работает при очень малом токе 2IB. Если бы в базовом соединении, общем для Q1 и Q2, должна была быть значительная емкость для заземления, ток, доступный для разрядки этого тока, также будет небольшим, равным 2IB. Тщательное внимание к паразитным емкостям и рабочим токам необходимо для высокочастотных приложений.

Продвинутые темы и современные разработки

Низковольтная операция

Эта разница увеличивается, когда транзисторы имеют общий терминал корпуса и эффект корпуса в M4 повышает его пороговое напряжение. На выходной стороне зеркала минимальное напряжение к земле составляет ... Это напряжение, вероятно, будет значительно больше, чем 1,0 вольт. Оба потенциальных различия оставляют недостаточный запас хода для схемы, которая обеспечивает входной ток и использует выходной ток, если напряжение питания не превышает 3 вольт. Многие современные интегральные схемы предназначены для использования источников питания низкого напряжения для удовлетворения ограничений короткоканальных транзисторов, для удовлетворения потребности в устройствах с батарейным питанием и для обеспечения высокой энергоэффективности в целом. В результате новые конструкции, как правило, используют какой-то вариант конфигурации ширококолеблющегося каскода тока зеркала.

Современные низковольтные конструкции используют специализированные топологии, которые минимизируют требования к напряжению, сохраняя при этом адекватную производительность. К ним относятся зеркала с повышенным коэффициентом усиления, регулируемые конфигурации каскодов и адаптивные схемы смещения, которые оптимизируют производительность при различных напряжениях питания.

Методы компенсаций процессов

На температурный коэффициент и величину опорного тока влияет вариация процесса. Для калибровки вариации процесса в предложенном TPC-CM используются два двоичных взвешенных зеркала тока, которые контролируют температурный коэффициент и величину опорного тока. После измерения токов PTAT и CTAT коды переключателей TPC-CM фиксируются таким образом, чтобы величина опорного тока была независимой от температуры. И коды хранятся в энергонезависимой памяти. В моделировании эффект вариации процесса снижается до 0,52% с 19,7% после калибровки с использованием TPC-CM в чип-на-чипе.

Цифровые методы отделки и калибровки позволяют современным современным зеркалам достигать ранее недостижимых уровней точности. Измеряя и компенсируя изменения процессов во время производственных испытаний, производители могут гарантировать жесткие спецификации на производственных участках и в условиях эксплуатации.

Высокопроизводительные импедансы

Зеркало тока является одним из ключевых элементов в конструкции аналоговой схемы. Для приложений аналоговой схемы высокой производительности точность и выходное сопротивление являются наиболее важными параметрами для определения производительности текущего зеркала. В этой статье предлагается новое зеркало тока для обеспечения высокой точности и очень высокого выходного импеданса. Для значительного увеличения выходного импеданса и точности соответствия используется новая стадия усиления обратной связи. Кроме того, предлагаемое новое зеркало тока также имеет выходной качель, аналогичный традиционному двухступенчатому каскаду текущего зеркала.

В современных топологиях используются несколько циклов обратной связи и методы повышения коэффициента усиления для достижения выходных импедансов в диапазоне гигаом. Эти зеркала сверхвысокого импеданса необходимы для точного приборостроения, преобразователей данных с высоким разрешением и других приложений, где текущее качество источника напрямую влияет на производительность системы.

Устранение неполадок и общие подводные камни

Проблемы несоответствия

k1 называется коэффициентом тока и в идеале он должен иметь значение 1 или другое значение, определяемое соотношением между выбранными значениями для R1 и R2. IOUT должен отслеживать IIN по диапазону значений входного тока, требуемых конструкцией, однако даже небольшие различия в физических характеристиках BJT, как, например, если они имеют разные значения VBE и/или hfe, то k1 будет отклоняться от желаемого значения. Это затрудняет точное управление IOUT и, следовательно, определение поведения схемы, на которую он наклонен.

При устранении неполадок в схемах зеркального тока проверьте, правильно ли сопоставлены транзисторы и работают ли они в своих активных областях. Измерьте V _BE напряжения для подтверждения соответствия и проверьте напряжения коллектора, чтобы убедиться, что ни один из транзисторов не вошел в насыщение. Разница температур между транзисторами часто проявляется как систематические ошибки тока, которые изменяются при рассеивании мощности.

Насыщение и соблюдение

Один из наиболее распространенных сбоев в токовых зеркальных схемах возникает, когда выходной транзистор входит в насыщение из-за недостаточного напряжения коллектор-излучатель. Это обычно происходит, когда сопротивление нагрузки слишком велико или напряжение питания слишком низкое. Всегда проверяйте, что выходное напряжение остается выше напряжения соответствия при всех условиях работы.

В схемах с различными нагрузками во время переходных процессов могут возникать динамические нарушения соответствия. Добавление обводных конденсаторов и обеспечение адекватного предела напряжения предотвращает эти проблемы. Для критических применений схемы мониторинга могут обнаруживать нарушения соответствия и запускать защитные действия.

Колебания и нестабильность

Текущие зеркала с обратной связью, в частности конфигурации Уилсона, могут колебаться, если паразитные емкости создают чрезмерный сдвиг фазы. Малые компенсационные конденсаторы через критические узлы могут стабилизировать цепь. Однако чрезмерная компенсация ухудшает частотную реакцию, требуя тщательной оптимизации.

Наземные петли и плохое отсоединение питания могут вводить шум в опорный ток, вызывая изменения выходного тока. Звездные методы заземления и локальные конденсаторы отсоединения минимизируют эти эффекты. В системах со смешанными сигналами разделение аналогового и цифрового оснований предотвращает цифровой шум переключения от повреждения аналоговых токов.

Измерение и характеристика

DC Характеристики

Для полной характеристики зеркала тока измеряйте выходной ток по отношению к выходному напряжению в полном диапазоне соответствия. Эта кривая I-V показывает напряжение соответствия, выходное сопротивление и любое неидеальное поведение. Перемещайте исходный ток для проверки линейности и точности усиления тока в рабочем диапазоне.

Для характеристики температуры требуются измерения в указанном температурном диапазоне, обычно от -40°C до +125°C для коммерческих применений. Выходной ток по графику против температуры при фиксированном эталонном токе и выходном напряжении для количественной оценки температурного коэффициента. Хорошо спроектированные зеркала должны демонстрировать температурные коэффициенты ниже 100 ppm/°C.

AC Performance

Характеристика переменного тока включает измерение импеданса выходного сигнала по отношению к частоте и определение полосы пропускания текущего зеркала. Анализ переменного тока малых сигналов показывает полюса и нули в функции передачи. Для зеркал, используемых в динамических приложениях, измерения переходного отклика показывают время оседания и характеристики пересечения.

Измерения шума имеют решающее значение для точного применения. Измерение текущей шумовой спектральной плотности по интересующему частотному диапазону. Шум мерцания доминирует на низких частотах, в то время как тепловой шум устанавливает шумовое дно на более высоких частотах. Правильное смещение и размеры устройства минимизируют шумовые вклады.

Практические дизайнерские ресурсы

Для инженеров, проектирующих зеркала тока BJT, несколько отличных ресурсов обеспечивают дополнительную глубину и практическое руководство. На веб-сайте Аналоговые устройства предлагаются обширные примечания к приложениям и инструменты проектирования для текущих схем зеркал. Texas Instruments предоставляет всеобъемлющие руководства по аналоговому дизайну, охватывающие источники тока и методы смещения.

Для практического обучения, вышивка простых токовых зеркальных схем с дискретными компонентами обеспечивает бесценную интуицию. Начните с базового двухтранзисторного зеркала с использованием сопоставленных транзисторов с малыми сигналами, таких как BC547 или 2N3904. Измерьте производительность, а затем постепенно внедряйте улучшенные топологии, чтобы наблюдать преимущества из первых рук.

Инструменты моделирования SPICE позволяют проводить детальный анализ перед подключением к аппаратному обеспечению. Современные тренажеры включают анализ Монте-Карло для оценки эффектов допусков компонентов, температурные разметки для термической характеристики и анализ переменного тока для частотной реакции. Эти инструменты помогают оптимизировать конструкции и выявлять потенциальные проблемы на ранних этапах процесса разработки.

Заключение

Зеркала тока BJT представляют собой фундаментальные строительные блоки в конструкции аналоговых схем, предлагая элегантные решения для репликации тока, смещения и активной загрузки.В то время как базовая двухтранзисторная конфигурация обеспечивает простую отправную точку, понимание ограничений и доступных улучшений позволяет дизайнерам выбирать соответствующие топологии для конкретных приложений.

От простых смещающихся сетей до сложных операционных усилителей, современные зеркала обеспечивают функциональность, которая была бы непрактичной или невозможной только с пассивными компонентами. Возможность генерировать точные, стабильные токи с минимальной площадью кремния делает текущие зеркала незаменимыми в современной конструкции интегральных схем.

Успех в разработке текущего зеркала требует внимания к согласованию транзисторов, управлению температурой, методам компоновки и условиям эксплуатации.Применяя принципы и расчеты, изложенные в этом руководстве, инженеры могут проектировать надежные зеркала тока, которые отвечают требовательным эксплуатационным характеристикам при различных температурах, изменениях процессов и условиях эксплуатации.

По мере того, как полупроводниковая технология продолжает продвигаться к более низким напряжениям и меньшим геометриям, текущая конструкция зеркала развивается для решения новых задач.Топологии низкого напряжения, цифровые методы калибровки и передовые методы компенсации гарантируют, что текущие зеркала остаются актуальными и эффективными в аналоговых и смешанных сигнальных системах следующего поколения.