- Verbesserung der grundlegenden Stromspiegelschaltung
- Wilson Current Mirror Circuit
- Vorteile und Einschränkungen der Wilson Current Mirror-Technik
- Praktisches Beispiel für eine Wilson-Stromspiegelschaltung
- Widlar Current Mirror Technique
- Analyse und Ableitung der Ausgangsimpedanz für die Widlar-Stromspiegelschaltung
Im vorherigen Artikel haben wir über die Stromspiegelschaltung und wie sie mit Transistor und MOSFET aufgebaut werden kann, gesprochen. Trotz der Tatsache, dass eine grundlegende Stromspiegelschaltung unter Verwendung von zwei einfachen aktiven Komponenten, BJTs und MOSFETs oder unter Verwendung einer Verstärkerschaltung aufgebaut werden kann, ist der Ausgang nicht perfekt und weist bestimmte Einschränkungen und Abhängigkeiten von den externen Dingen auf. Um eine stabile Ausgabe zu erhalten, werden zusätzliche Techniken in Stromspiegelschaltungen verwendet.
Verbesserung der grundlegenden Stromspiegelschaltung
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Ausgabe der Stromspiegelschaltung zu verbessern. In einer der Lösungen werden ein oder zwei Transistoren gegenüber dem herkömmlichen Design mit zwei Transistoren hinzugefügt. Der Aufbau dieser Schaltungen verwendet eine Emitterfolgerkonfiguration, um die Basisstromfehlanpassung der Transistoren zu überwinden. Das Design kann eine andere Art von Schaltungsstruktur aufweisen, um die Ausgangsimpedanz auszugleichen.
Es gibt drei Hauptmetriken, um die aktuelle Spiegelleistung als Teil einer großen Schaltung zu analysieren.
1. Die erste Metrik ist das Ausmaß des statischen Fehlers. Es ist der Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsströmen. Es ist eine schwierige Aufgabe, den Unterschied zu minimieren, da der Unterschied der differenziellen Single-Ended-Ausgangsumwandlung mit der Differenzverstärkerverstärkung für die Steuerung des Unterdrückungsverhältnisses von Gleichtakt und Stromversorgung verantwortlich ist.
2. Die nächstwichtigste Metrik ist die Ausgangsimpedanz der Stromquelle oder die Ausgangsleitfähigkeit. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da es die Bühne erneut beeinflusst, während die Stromquelle wie eine aktive Last wirkt. Dies wirkt sich auch auf die Gleichtaktverstärkung in verschiedenen Situationen aus.
3. Für den stabilen Betrieb von Stromspiegelschaltungen ist die letzte wichtige Metrik die minimale Spannung, die von der Stromschienenverbindung zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen kommt.
Um die Ausgabe der Basisstromspiegelschaltung unter Berücksichtigung aller oben genannten Leistungsmetriken zu verbessern, werden hier die gängigen Stromspiegeltechniken - Wilson-Stromspiegelschaltung und Widlar- Stromquellenschaltung - erläutert.
Wilson Current Mirror Circuit
Alles begann mit der Herausforderung zwischen zwei Ingenieuren, George R. Wilson und Barrie Gilbert, über Nacht eine verbesserte Stromspiegelschaltung herzustellen. Unnötig zu erwähnen, dass George R. Wilson die Herausforderung 1967 gewann. Nach dem Namen George R. Wilson heißt die von ihm entworfene verbesserte Stromspiegelschaltung Wilson Current Mirror Circuit.
Die Wilson-Stromspiegelschaltung verwendet drei aktive Geräte, die den Strom über ihren Eingang aufnehmen und die exakte Kopie oder gespiegelte Kopie des Stroms an ihren Ausgang liefern.
In der obigen Wilson-Stromspiegelschaltung gibt es drei aktive Komponenten, die BJTs und einen einzelnen Widerstand R1 sind.
Hier werden zwei Annahmen getroffen - eine ist, dass alle Transistoren die gleiche Stromverstärkung haben, und zweitens, dass die Kollektorströme von T1 und T2 gleich sind, da T1 und T2 übereinstimmen und der gleiche Transistor. Deshalb
I C1 = I C2 = I C.
Und das gilt auch für den Basisstrom, I B1 = I B2 = I B.
Der Basisstrom des T3-Transistors kann leicht durch die Stromverstärkung berechnet werden, d. H.
I B3 = I C3 / β… (1)
Und der Emitterstrom des T3 wird sein
I B3 = ((β + 1) / β) I C3 … (2)
Wenn wir uns das obige Schema ansehen, ist der Strom über den T3-Emitter die Summe des Kollektorstroms von T2 und der Basisströme von T1 und T2. Deshalb, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Nun kann, wie oben diskutiert, dies weiter bewertet werden als
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B.
Daher, I E3 = (1+ (2 / β)) I C.
Der I E3 kann gemäß (2) geändert werden.
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C.
Der Kollektorstrom kann geschrieben werden als:
I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Wieder wie im Schema der Strom durch
Die obige Gleichung kann eine Beziehung zwischen dem Strom des dritten Transistorkollektors und dem Eingangswiderstand zeichnen. Wie? Wenn 2 / (β (β + 2)) << 1 ist, dann ist I C3 ≈ I R1. Der Ausgangsstrom kann auch leicht berechnet werden, wenn die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren weniger als 1 V beträgt.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Für den richtigen und stabilen Ausgangsstrom müssen R 1 und V 1 die richtigen Werte haben. Damit die Schaltung als Konstantstromquelle fungiert, muss der R1 durch eine Konstantstromquelle ersetzt werden.
Verbesserung der Wilson Current Mirror Circuit
Die Wilson-Stromspiegelschaltung kann weiter verbessert werden, um durch Hinzufügen eines weiteren Transistors eine perfekte Genauigkeit zu erzielen.
Die obige Schaltung ist die verbesserte Version der Wilson-Stromspiegelschaltung. Der vierte Transistor T4 wird in die Schaltung eingefügt. Der zusätzliche Transistor T4 gleicht die Kollektorspannung von T1 und T2 aus. Die Kollektorspannung von T1 wird um den Betrag stabilisiert, der gleich V BE4 ist. Dies führt zu endlich
Vorteile und Einschränkungen der Wilson Current Mirror-Technik
Die Stromspiegelschaltung hat mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen Basisstromspiegelschaltung.
- Im Fall einer Basisstromspiegelschaltung ist die Basisstromfehlanpassung ein häufiges Problem. Diese Wilson-Stromspiegelschaltung eliminiert jedoch praktisch den Basisstromausgleichsfehler. Aus diesem Grund ist der Ausgangsstrom ab dem Eingangsstrom nahezu genau. Darüber hinaus verwendet die Schaltung aufgrund der negativen Rückkopplung über den T1 von der Basis des T3 eine sehr hohe Ausgangsimpedanz.
- Die verbesserte Wilson-Stromspiegelschaltung wird unter Verwendung von 4 Transistorversionen hergestellt, so dass sie für den Betrieb bei hohen Strömen nützlich ist.
- Die Wilson-Stromspiegelschaltung liefert eine niedrige Impedanz am Eingang.
- Es erfordert keine zusätzliche Vorspannung und es sind minimale Ressourcen erforderlich, um es zu konstruieren.
Einschränkungen von Wilson Current Mirror:
- Wenn die Wilson-Stromspiegelschaltung mit maximaler Hochfrequenz vorgespannt ist, verursacht die negative Rückkopplungsschleife eine Instabilität im Frequenzgang.
- Es hat eine höhere Nachgiebigkeitsspannung im Vergleich zu der Basis-Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren.
- Die Wilson-Stromspiegelschaltung erzeugt Rauschen am Ausgang. Dies ist auf die Rückkopplung zurückzuführen, die die Ausgangsimpedanz erhöht und den Kollektorstrom direkt beeinflusst. Die Kollektorstromschwankung trägt zu Rauschen am Ausgang bei.
Praktisches Beispiel für eine Wilson-Stromspiegelschaltung
Hier wird der Wilson-Stromspiegel mit Proteus simuliert.
Die drei aktiven Komponenten (BJT) werden zur Herstellung der Schaltung verwendet. Die BJTs sind alle 2N2222 mit den gleichen Spezifikationen. Der Poti wird ausgewählt, um den Strom über den Q2-Kollektor zu ändern, der sich weiter auf den Q3-Kollektor auswirkt. Für die Ausgangslast wird ein 10 Ohm Widerstand ausgewählt.
Hier ist das Simulationsvideo für Wilson Current Mirror Technique-
Im Video wird die programmierte Spannung am Kollektor von Q2 am Kollektor von Q3 reflektiert.
Widlar Current Mirror Technique
Eine weitere hervorragende Stromspiegelschaltung ist die Widlar- Stromquellenschaltung, erfunden von Bob Widlar-.
Die Schaltung ist genau die gleiche wie die Grundstromspiegelschaltung mit zwei BJT-Transistoren. Es gibt jedoch eine Modifikation im Ausgangstransistor. Der Ausgangstransistor verwendet einen Emitter-Degenerationswiderstand, um niedrige Ströme über den Ausgang zu liefern, wobei nur moderate Widerstandswerte verwendet werden.
Eines der beliebtesten Anwendungsbeispiele für die Widlar-Stromquelle ist die Operationsverstärkerschaltung uA741.
In der folgenden Abbildung ist eine Widlar-Stromquellenschaltung dargestellt.
Die Schaltung besteht nur aus zwei Transistoren T1 & T2 und zwei Widerständen R1 & R2. Die Schaltung ist dieselbe wie die Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren ohne R2. Der R2 ist in Reihe mit dem T2-Emitter und Masse geschaltet. Dieser Emitterwiderstand reduziert effektiv den Strom über das T2 im Vergleich zum T1. Dies geschieht durch den Spannungsabfall an diesem Widerstand. Dieser Spannungsabfall verringert die Basis-Emitter-Spannung des Ausgangstransistors, was weiter zu einem verringerten Kollektorstrom über dem T2 führt.
Analyse und Ableitung der Ausgangsimpedanz für die Widlar-Stromspiegelschaltung
Wie bereits erwähnt, ist der Strom über T2 im Vergleich zum T1-Strom reduziert, was mithilfe von Cadence Pspice-Simulationen weiter getestet und analysiert werden kann. Sehen wir uns den Aufbau und die Simulationen der Widlar-Schaltung im folgenden Bild an.
Die Schaltung ist in Cadence Pspice aufgebaut. In der Schaltung 2N2222 werden zwei Transistoren mit derselben Spezifikation verwendet. Die aktuellen Sonden zeigen das aktuelle Diagramm über den Kollektor Q2 und Q1.
Die Simulation ist im folgenden Bild zu sehen.
In der obigen Abbildung verringert sich das rote Diagramm, das den Kollektorstrom von Q1 darstellt, im Vergleich zu Q2.
Anwenden von KVL (Kirchhoffs Spannungsgesetz) über den Basis-Emitter-Übergang der Schaltung, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Das β 2 ist für den Ausgangstransistor. Es unterscheidet sich vollständig vom Eingangstransistor, da das Stromdiagramm im Simulationsdiagramm deutlich zeigt, dass der Strom in zwei Transistoren unterschiedlich ist.
Die endgültige Formel kann aus der obigen Formel abgeleitet werden, wenn das endliche β außer Kraft gesetzt wird und wenn wir I C1 als I IN und I C2 als I OUT ändern. Deshalb,
Zur Messung des Ausgangswiderstands der Widlar-Stromquelle ist die Kleinsignalschaltung eine nützliche Option. Das folgende Bild ist eine äquivalente Kleinsignalschaltung für die Widlar-Stromquelle.
Der Strom Ix wird über die Schaltung angelegt, um den Ausgangswiderstand der Schaltung zu messen. Nach dem Ohmschen Gesetz beträgt der Ausgangswiderstand also
Vx / Ix
Der Ausgangswiderstand kann bestimmt werden, indem das Kirchoffsche Gesetz über den linken Boden auf das R2 angewendet wird.
Wiederum Anwenden des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes über die R2-Masse auf die Masse des Eingangsstroms, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - β R 0)
Wenn Sie nun den Wert ändern, lautet die endgültige Gleichung zum Ableiten des Ausgangswiderstands der Widlar-Stromspiegelschaltung
Auf diese Weise können die aktuellen Spiegeltechniken von Wilson und Widlar verwendet werden, um das Design der grundlegenden Stromspiegelschaltung zu verbessern.