- Az alapvető jelenlegi tükör áramkör javítása
- Wilson jelenlegi tükör áramköre
- A Wilson jelenlegi tükörtechnikájának előnyei és korlátai
- Gyakorlati példa a Wilson áram tükör áramkörre
- Widlar jelenlegi tükör technika
- A Widlar áramú tüköráramkör kimeneti impedanciájának elemzése és levezetése
Az előző cikkben megvitattuk a jelenlegi tükör áramkört és annak felépítését a tranzisztor és a MOSFET segítségével. Annak ellenére, hogy az alapáramú tükör áramkör két egyszerű aktív komponens, a BJT és a MOSFET segítségével, vagy egy erősítő áramkör használatával építhető fel, a kimenet nem tökéletes, emellett bizonyos korlátai és függőségei vannak a külső dolgoktól. A stabil kimenet érdekében tehát további technikákat alkalmaznak a jelenlegi tükör áramkörökben.
Az alapvető jelenlegi tükör áramkör javítása
Számos lehetőség kínálkozik a jelenlegi tükör áramkör kimenetének javítására. Az egyik megoldás egy vagy két tranzisztort ad hozzá a hagyományos két tranzisztor kialakításához. Ezeknek az áramköröknek az építése emitterkövető konfigurációt használ a tranzisztorok alapáram-eltérésének kiküszöbölésére. A kialakításnak lehet másfajta áramköri szerkezete a kimeneti impedancia kiegyensúlyozására.
Vannak három fő mutatókat, hogy elemezze a jelenlegi tükör teljesítmény részeként egy nagy kör.
1. Az első mutató a statikus hiba mértéke. Ez a különbség a bemeneti és a kimeneti áram között. Nehéz feladat minimalizálni a különbséget, mivel a differenciál egyvégű kimeneti átalakítás és a differenciálerősítő erősítés közötti különbség felelős a közös mód és az áramellátás elutasítási arányának szabályozásáért.
2. A következő legfontosabb mutató az áramforrás kimeneti impedanciája vagy a kimeneti vezetőképesség. Döntő jelentőségű, mert a színpadot ismét befolyásolja, miközben az áramforrás aktív terhelésként működik. Ez hatással van a közös mód erősítésére is különböző helyzetekben.
3. A jelenlegi tüköráramkörök stabil működéséhez az utolsó fontos mérőszám a bemeneti és kimeneti sorkapcsokon át elhelyezett erőátviteli sín csatlakozásából származó minimális feszültség.
Tehát az alapáram-tükör áramkörének kimenetének javítása érdekében, figyelembe véve a fenti teljesítménymutatókat, itt megvitatjuk a népszerű jelenlegi tükör-technikákat - Wilson áram-tükör áramkört és Widlar-áramforrást.
Wilson jelenlegi tükör áramköre
Az egész két mérnök, George R. Wilson és Barrie Gilbert közötti kihívással kezdődött, hogy egyik napról a másikra tökéletesebb áramtükör áramkört hozzanak létre. Mondanom sem kell, hogy George R. Wilson nyerte a kihívást 1967-ben. George R. Wilson nevéből az általa tervezett továbbfejlesztett áram-tükör áramkört Wilson Current Mirror Circuit- nak hívják.
A Wilson áramkör tükrös áramköre három aktív eszközt használ, amelyek elfogadják az áramot a bemenetén keresztül, és a kimenetére az áram pontos másolatát vagy tükrözött másolatát adják.
A fenti Wilson áram tükör áramkörben három aktív komponens van, amelyek BJT-k és egyetlen R1 ellenállás.
Két feltételezés merül fel itt: az egyik az, hogy az összes tranzisztornak azonos az erősítése, ami a második, és a második, hogy a T1 és T2 kollektoráramok egyenlőek, mivel a T1 és a T2 egyezik és ugyanaz a tranzisztor. Ezért
I C1 = I C2 = I C
És ez vonatkozik az alapáramra is, I B1 = I B2 = I B
A T3 tranzisztor bázisárama könnyen kiszámítható az áramerősítéssel, ami
I B3 = I C3 / β… (1)
És a T3 sugárzó árama az lesz
I B3 = ((β + 1) / β) I C3 … (2)
Ha a fenti vázlatot nézzük, a T3 emitteren átáramló áram a T2 kollektoráramának és a T1 és T2 alapáramainak az összege. Ezért, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Most, amint azt fentebb tárgyaltuk, ezt tovább értékelhetjük
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Ennélfogva, I E3 = (1+ (2 / β)) I C
Az I E3 a (2) szerint módosítható
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
A kollektoráram felírható, I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Ismét a sematikus áram szerint
A fenti egyenlet kapcsolatot hozhat létre a harmadik tranzisztorkollektorok és a bemeneti ellenállás között. Hogyan? Ha 2 / (β (β + 2)) << 1, akkor az I C3 ≈ I R1. A kimeneti áram akkor is könnyen kiszámítható, ha a tranzisztorok bázis-emitter feszültsége kisebb, mint 1 V.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Tehát, a megfelelő és stabil kimeneti áram, akkor az R 1 és V 1 kell, hogy legyen a megfelelő értékeket. Ahhoz, hogy az áramkör állandó áramforrásként működjön, az R1-et állandó áramforrással kell kicserélni.
A Wilson jelenlegi tükör áramkörének javítása
A Wilson áramtükör áramköre tovább javítható a tökéletes pontosság érdekében egy újabb tranzisztor hozzáadásával.
A fenti áramkör a Wilson áramtükör áramkörének továbbfejlesztett változata. A negyedik T4 tranzisztort hozzáadjuk az áramkörhöz. A kiegészítő T4 tranzisztor kiegyensúlyozza a T1 és T2 kollektorfeszültséget. A T1 kollektorfeszültségét a V BE4-nek megfelelő mennyiség stabilizálja. Ennek véges eredménye
A Wilson jelenlegi tükörtechnikájának előnyei és korlátai
A jelenlegi tükör áramkörnek számos előnye van a hagyományos alap tükör áramkörhöz képest.
- Alapvető áramkör-tükör áramkör esetén gyakori probléma az alapáram eltérése. Ez a Wilson áramtükör áramkör azonban gyakorlatilag kiküszöböli az alapáram egyensúly hibáját. Emiatt a kimeneti áram a bemeneti árammal közel azonos a pontos értékkel. Nem csak ez, az áramkör nagyon magas kimeneti impedanciát alkalmaz a T1-en keresztüli negatív visszacsatolás miatt a T3 alapjától.
- A továbbfejlesztett Wilson áramtükör áramkör 4 tranzisztoros változat felhasználásával készül, így hasznos nagy áram esetén történő működéshez.
- A Wilson áramtükör áramkör alacsony impedanciát biztosít a bemeneten.
- Nem igényel további torzító feszültséget, és minimális erőforrásokra van szükség a felépítéséhez.
A Wilson áramtükör korlátai:
- Amikor a Wilson áramtükör áramköre maximálisan magas frekvenciával van elfoglalva, a negatív visszacsatolási hurok instabilitást okoz a frekvencia-válaszban.
- Magasabb megfelelési feszültséggel rendelkezik, mint az alaptranzisztoros áram két tükrös áramköre.
- A Wilson áramtükör áramkör zajt kelt a kimeneten. Ez annak a visszacsatolásnak köszönhető, amely növeli a kimeneti impedanciát és közvetlenül befolyásolja a kollektor áramát. A kollektor áramingadozásai a kimeneten zajokat okoznak.
Gyakorlati példa a Wilson áram tükör áramkörre
Itt a Wilson aktuális tükröt a Proteus segítségével szimulálják.
A három aktív komponenst (BJT) használják az áramkör elkészítésére. A BJT-k mindegyike 2N2222, ugyanazokkal a specifikációkkal. A bankot úgy választják meg, hogy megváltoztassa a Q2 kollektor áramát, ami tovább tükröződik a Q3 kollektoron. A kimeneti terheléshez 10 Ohmos ellenállást választanak.
Itt van a Wilson Current Mirror Technique szimulációs videó-
A videóban a Q2 kollektorán át programozott feszültség tükröződik a Q3 kollektoron.
Widlar jelenlegi tükör technika
Egy másik kiváló áramkör-tükör áramkör a Widlar áramforrás áramkör, amelyet Bob Widlar talált ki.
Az áramkör pontosan megegyezik az alapáram-tükör áramkörével, amely két BJT tranzisztort használ. De van egy módosítás a kimeneti tranzisztorban. A kimeneti tranzisztor emitter degenerációs ellenállást használ, hogy alacsony áramokat biztosítson a kimeneten, csak mérsékelt ellenállási értékeket használva.
A Widlar áramforrás egyik népszerű példája az uA741 operációs erősítő áramkörben található.
Az alábbi képen egy Widlar áramforrás áramkör látható.
Az áramkör csak két T1 és T2 tranzisztorból és két R1 és R2 ellenállásból áll. Az áramkör megegyezik az R2 nélküli két tranzisztoros tükör áramkörrel. Az R2 sorba van kötve a T2 emitterrel és a földdel. Ez az emitteres ellenállás hatékonyan csökkenti a T2 áramát a T1-hez képest. Ezt az ellenállás feszültségesésével hajtják végre, ez a feszültségesés csökkenti a kimeneti tranzisztor bázis-emitter feszültségét, ami tovább csökkenti a kollektor áramát a T2-en.
A Widlar áramú tüköráramkör kimeneti impedanciájának elemzése és levezetése
Amint azt korábban említettük, hogy a T2-en átáramló áram csökken a T1-áramhoz képest, ezt tovább lehet tesztelni és elemezni a Cadence Pspice szimulációk segítségével. Lássuk a Widlar áramkör felépítését és szimulációit az alábbi képen,
Az áramkör a Cadence Pspice felépítésű. Az áramkörben két, azonos specifikációjú tranzisztort használnak, amely 2N2222. Az aktuális szondák a Q2 és Q1 kollektor aktuális ábráját mutatják.
A szimuláció az alábbi képen látható.
A fenti ábrán a piros diagram, amely a Q1 kollektorárama, csökken a Q2-hez képest.
KVL (Kirchhoff-féle feszültségtörvény) alkalmazása az áramkör bázis-emitter kereszteződésén, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
A β 2 a kimeneti tranzisztorra vonatkozik. Teljesen különbözik a bemeneti tranzisztortól, mivel a szimulációs grafikon aktuális diagramja egyértelműen megmutatja, hogy a két tranzisztor áramának különbsége van.
A végső képlet a fenti képletből vonható le, ha a véges β felülbírálódik, és ha megváltoztatjuk az I C1- et I IN- ként és I C2- t I OUT- ként. Ezért,
A Widlar áramforrás kimeneti ellenállásának mérésére a kis jelű áramkör hasznos lehetőség. Az alábbi kép egyenértékű kis jeláramkör a Widlar áramforráshoz.
Az Ix áramot az áramkörön keresztül alkalmazzák az áramkör kimeneti ellenállásának mérésére. Tehát az Ohms-törvény szerint a kimeneti ellenállás az
Vx / Ix
A kimeneti ellenállást úgy lehet meghatározni, hogy Kirchoff törvényét alkalmazzuk a bal talajon az R2-re, ez
Ismét Kirchhoff feszültségtörvényét alkalmazva az R2 földön a bemeneti áram földjére, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - pR 0)
Most, megváltoztatva az értéket, a végső egyenlet a Widlar áram tükör áramkör kimeneti ellenállásának levezetéséhez
Tehát a Wilson és a Widlar jelenlegi tükörtechnikái felhasználhatók az alapáramú tüköráramkör kialakításának javítására.