Струјни круг зрцала: технике Вилсоновог и видларног зрцаљења

У претходном чланку смо разговарали о тренутном зрцалном кругу и о томе како се он може направити помоћу транзистора и МОСФЕТ-а. Упркос чињеници да основно струјно коло огледала може да се конструише помоћу две једноставне активне компоненте, БЈТ и МОСФЕТ-овима или помоћу круга појачала, излаз није савршен, као и да има одређена ограничења и зависности од спољних ствари. Дакле, да би се добио стабилан излаз, у тренутним круговима огледала користе се додатне технике.

Побољшање основног круга тренутног огледала

Постоји неколико опција за побољшање излаза тренутног зрцалног круга. У једном од решења додају се један или два транзистора у односу на традиционални дизајн два транзистора. Конструкција тих кола користи конфигурацију сљедника емитора да би се превазишла основна струјна неусклађеност транзистора. Дизајн може имати другачију структуру кола за уравнотежење излазне импедансе.

Постоје три примарне метрике за анализу тренутних перформанси огледала као дела великог круга.

1. Прва метрика је количина статичке грешке. То је разлика између улазне и излазне струје. Тежак је задатак минимизирати разлику, јер је разлика диференцијалне једностране конверзије излаза са диференцијалним појачавањем појачала одговорна за контролу односа одбијања уобичајеног режима и напајања.

2. следећи најважнији показатељ је тренутни импеданса извор излаз или излаз проводљивост. Кључно је јер поново утиче на сцену током тренутног извора који делује као активно оптерећење. Такође утиче на добитак уобичајеног режима у различитим ситуацијама.

3. За стабилан рад струјних кругова огледала, последња важна метрика су минимални напони који долазе од прикључка енергетске шине смештеног преко улазног и излазног терминала.

Дакле, да бисмо побољшали излаз основног струјног круга зрцала, узимајући у обзир све горе наведене метрике перформанси, овде ћемо разговарати о популарним техникама тренутног зрцала - Вилсон Цуррент Миррор Цирцуит и Видлар Цуррент Соурце Цирцуит.

Вилсон Цуррент Миррор Цирцуит

Све је започело изазовом између два инжењера, Георге Р. Вилсон-а и Баррие Гилберт-а, да преко ноћи направе побољшани струјни круг огледала. Непотребно је рећи да је Георге Р. Вилсон победио у изазову 1967. године. Од имена Георге Р. Вилсон, побољшани струјни круг огледала који је он дизајнирао назива се Вилсон Цуррент Миррор Цирцуит.

Вилсоново струјно коло огледала користи три активна уређаја који прихватају струју преко свог улаза и дају тачну копију или зрцалну копију струје на свој излаз.

Изнад Вилсоновог круга тренутног огледала постоје три активне компоненте које су БЈТ и један отпорник Р1.

Овде су направљене две претпоставке - једна је да сви транзистори имају исто струјно појачање, а друга је да су колекторске струје Т1 и Т2 једнаке, пошто се Т1 и Т2 поклапају и исти транзистор. Према томе

И _Ц1 = И _Ц2 = И _Ц.

А ово се односи и на основну струју, И _Б1 = И _Б2 = И _Б.

Основна струја Т3 транзистора може се лако израчунати по тренутном појачању, које је

И _Б3 = И _Ц3 / β… (1)

И емитерска струја Т3 ће бити

И _Б3 = ((β + 1) / β) И _Ц3 … (2)

Ако погледамо горњу шему, струја на емитеру Т3 је збир струје колектора Т2 и струје базе Т1 и Т2. Стога, И _Е3 = И _Ц2 + И _Б1 + И _Б2

Као што је горе речено, ово се може даље проценити као

И _Е3 = И _Ц + И _Б + И _Б И _Е3 = И _Ц + 2И _Б.

Стога, И _Е3 = (1+ (2 / β)) И _Ц.

И _Е3 се може мењати према (2)

((β + 1) / β)) И _Ц3 = (1+ (2 / β)) И _Ц.

Струја колектора може се записати као, И _Ц = ((1+ β) / (β + 2)) И _Ц3 … (3)

Опет по шеми струја кроз

Горња једначина може да створи везу између трећег транзисторског колектора струје са улазним отпорником. Како? Ако је 2 / (β (β + 2)) << 1 онда је И _Ц3 ≈ И _Р1. Излазна струја се такође може лако израчунати ако је напон емитер базе транзистора мањи од 1В.

И _Ц3 ≈ И _Р1 = (В ₁ - В _БЕ2 - В _БЕ3) / Р ₁

Дакле, за правилну и стабилну излазну струју, Р ₁ и В ₁ морају бити у одговарајућим вредностима. Да би круг деловао као извор константне струје, Р1 треба заменити извором константне струје.

Побољшање Вилсоновог струјног круга огледала

Вилсоново струјно коло огледала може се даље побољшати да би се постигла савршена тачност додавањем другог транзистора.

Горњи круг је побољшана верзија Вилсоновог струјног круга огледала. У коло се додаје четврти транзистор Т4. Додатни транзистор Т4 уравнотежује напон колектора Т1 и Т2. Напон колектора Т1 је стабилизован за износ једнак В _БЕ4. Ово резултира коначним

а такође стабилизују разлике напона између Т1 и Т2.

Предности и ограничење Вилсонове технике тренутног огледала

Струјно коло огледала има неколико предности у поређењу са традиционалним основним кругом огледала струје -

1. У случају основног струјног круга огледала, неусклађеност основне струје је чест проблем. Међутим, ово Вилсоново струјно коло огледала практично елиминише грешку основног тренутног биланса. Због тога је излазна струја приближно тачна као и улазна струја. И не само ово, коло користи врло високу излазну импедансу због негативне повратне спреге преко Т1 од базе Т3.
2. Побољшано Вилсоново струјно коло огледала направљено је помоћу 4 верзије транзистора, тако да је корисно за рад при великим струјама.
3. Вилсоново струјно коло огледала пружа ниску импедансу на улазу.
4. Не захтева додатни напон пристрасности и потребни су минимални ресурси за његову конструкцију.

Ограничења Вилсоновог тренутног огледала:

1. Када је Вилсоново струјно коло зрцала пристрасно са максимално високом фреквенцијом, негативна повратна петља узрокује нестабилност у фреквенцијском одзиву.
2. Има већи напон усклађености у поређењу са основним два транзисторска струјна круга огледала.
3. Вилсоново струјно коло огледала ствара шум на излазу. То је због повратне спреге која повећава излазну импедансу и директно утиче на струју колектора. Колебање струје колектора доприноси шумовима на излазу.

Практични пример струјног круга огледала Вилсона

Овде се Вилсоново струјно огледало симулира помоћу Протеуса.

Три активне компоненте (БЈТ) користе се за израду кола. Сви БЈТ-ови су 2Н2222, са истим спецификацијама. Пот је одабран за промену струје преко К2 колектора што ће се даље одразити на К3 колектор. За излазно оптерећење бира се отпор од 10 ома.

Ево симулационог видеа за Вилсон Цуррент Миррор Тецхникуе-

У видеу се програмирани напон на К2 колектору одражава на К3 колектору.

Видлар Цуррент Миррор техника

Још једно изврсно струјно коло огледала је струјно коло Видлар, које је изумио Боб Видлар.

Коло је потпуно исто као и основно струјно коло огледала помоћу два БЈТ транзистора. Али постоји модификација излазног транзистора. Излазни транзистор користи отпорник за дегенерацију емитора да би пружио ниске струје на излазу користећи само умерене вредности отпорника.

Један од популарних примера примене Видларовог извора струје је у кругу оперативног појачала уА741.

На слици испод приказан је круг извора струје Видлар.

Коло се састоји од само два транзистора Т1 и Т2 и два отпорника Р1 и Р2. Коло је исто као струјно коло огледала два транзистора без Р2. Р2 је повезан серијски са Т2 емитором и масом. Овај отпорник емитера ефикасно смањује струју преко Т2 у поређењу са Т1. То се постиже падом напона на овом отпорнику. Овај пад напона смањује напон емитер базе излазног транзистора, што даље резултира смањеном струјом колектора на Т2.

Анализа и извођење излазне импедансе за круг зрцала струје Видлар

Као што је претходно поменуто да је струја преко Т2 смањена у поређењу са струјом Т1, што се може даље тестирати и анализирати помоћу симулација Цаденце Пспице. Погледајмо конструкцију и симулације круга Видлар на доњој слици,

Коло је конструисано у Цаденце Пспице. Два кола са истом спецификацијом користе се у струјним круговима, а то је 2Н2222. Тренутне сонде показују тренутну графику преко К2 и К1 колектора.

Симулација се може видети у наставку слици.

На горњој слици црвена црта, која представља колекторску струју К1, смањује се у поређењу са К2.

Применом КВЛ (Кирцххофф-ов закон напона) преко споја база-емитер кола, В _БЕ1 = В _БЕ2 + И _Е2 Р ₂ В _БЕ1 = В _БЕ2 + (β + 1) И _Б2 Р ₂

Β ₂ је за излазни транзистор. Потпуно се разликује од улазног транзистора јер тренутна графика на симулационом графикону јасно показује да су струје у два транзистора различите.

Коначна формула се може извући из горње формуле ако је коначни β надјачан и ако променимо И _Ц1 као И _ИН и И _Ц2 као И _ОУТ. Стога,

За мерење излазног отпора Видларовог извора струје корисна је опција коло са малим сигналом. Слика доле је еквивалентно мало сигнално коло за извор струје Видлар.

Струја Ик се примењује преко кола за мерење излазног отпора круга. Дакле, према Омском закону, излазни отпор је

Вк / Ик

Отпор излаз може се одредити применом Кирцхофф закон преко леве земље да се Р2, то је-

Опет, применом Кирцххофф-овог закона напона преко Р2 масе на масу улазне струје, В _Кс = И _Кс (Р ₀ + Р ₂) + И _б (Р ₂ - βР ₀)

Сада, променом вредности, коначна једначина за извођење излазног отпора круга Видлар Цуррент Миррор је

Дакле, на овај начин се Вилсон и Видлар тренутне технике огледала могу користити за побољшање дизајна основног круга тренутних огледала.