Aprenda los circuitos analógicos: tipos y aplicaciones de espejos actuales

Conozca más sobre el diseño analógico en esta introducción al espejo actual, incluyendo cómo se implementa este circuito en circuitos integrados analógicos.

El espejo actual es un bloque de construcción analógico importante que encuentra su aplicación en áreas tan diversas como la polarización de CC y el procesamiento de señales en modo actual. Este bloque viene en varias encarnaciones, que investigaremos a continuación:

• Espejo basico
• Espejo con beta helper
• Fuente de corriente widlar
• Espejo Wilson

Comenzaremos observando algunas características básicas de un transistor de unión bipolar (BJT).

Antecedentes: Características del BJT

Para establecer el fondo, considere la figura 1, que muestra la yo_do-v_CE características de un NPN BJT para diferentes unidades de voltaje de base-emisor V_SER.

(a) (b)

Figura 1. Usando PSpice para mostrar el i_do-v_CE Características de un NPN BJT. Para V_CE <0.2 V el BJT está en saturación (Sat), mientras que para v_CE ≥ 0.2 V está operando en la región activa hacia adelante (FA).

Observamos que, por v_CE ≥ 0.2 V, todas las curvas son esencialmente planas, lo que indica la capacidad del BJT para hundir la corriente independientemente del voltaje del colector (siempre que se evite que este voltaje caiga por debajo de aproximadamente 0.2 V). Aunque V_SER se incrementa en pasos iguales de 10 mV, yo_do Incrementos en la moda geométrica. De hecho, en la región activa hacia adelante (FA), yo_do está relacionado con v_SER exponencialmente como

Ecuación 1

dónde yo_s Es un factor de escala llamado corriente de saturacióny V_T Es otro factor de escala llamado voltaje termico Porque es proporcional a la temperatura absoluta. T. Para un BJT de baja potencia, yo_s es típicamente en el rango femtoampere (1 fA = 10^-15 UNA).

Además, V_T = 26 mV a temperatura ambiente. Figura 2a muestra la gráfica PSpice de la ecuación (1) para un BJT con yo_s = 2 fA (este valor ha sido elegido para que con v_SER = 700 mV el BJT da exactamente yo_do = 1,0 mA).

(a) (b)

Figura 2. Usando PSpice para trama (a) i_do vs. v_SER y (b) v_SER vs. yo_do.

El inverso de la ecuación (1) es

Ecuación 2

Trazar v_SER como una función de yo_do a través de PSpice, conectamos los terminales base y colector juntos para operar el BJT en lo que se llama el modo diodo, y luego aplicamos una prueba de corriente. yo_T, como se muestra en la figura 2b.

Espejo de corriente básico

El espejo básico, mostrado en la figura. 3a, consiste en un par de emparejado Los BJT se fabricaron (o montaron) muy cerca uno del otro para que sus características (yo_s y V_T) pista entre sí con la temperatura y el tiempo.

(a) (b)

figura 3. (a) espejo de corriente básica, y (b) su i_O vs. v_O caracteristica para i_yo = 1 mA y V_CC = 10 V.

Asumiendo corrientes de base despreciables, notamos que los diodos conectados Q₁ responde a la corriente de entrada yo_yo desarrollando una caída de voltaje v_SER de acuerdo con la ecuación (2) mostrada arriba.

Ya que Q₂ está experimentando el mismo v_SER como Q₁, Debemos tener yo_C2 = yo_C1, por la ecuación (1), entonces Q₂ espejos Q₁. Asumiendo corrientes de base despreciables, tenemos así yo_O = yo_yo.

Comparado a la figura 1b, la vista ampliada de la figura 3b indica que la curva en la región FA exhibe una pendiente distinta de cero. Esto se deriva de la llamada Efecto temprano ^[1], como consecuencia de lo cual las proyecciones de todas las curvas se encuentran en un punto común en el eje negativo llamado Voltaje inicial V_UNA, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Expandido Vista de la Figura 1b, que ilustra las consecuencias del Efecto Temprano.

La pendiente de un yo_do curva en la región FA se denota como 1 / r_o, el recíproco de la resistencia. Aplicando un razonamiento geométrico simple a la Figura 4, tenemos la pendiente (= 1 / r_o) ≈ yo_do / V_UNAo

Ecuación 3

dónde yo_do representa la corriente en el borde izquierdo de la región FA.

El ejemplo de PSpice mostrado usa V_UNA = 60 V, entonces para yo_do = 1 mA tenemos r_o ≈ 60/10^–3 = 60 kΩ. Esto significa que el equivalente de Norton visto por la carga es un sumidero de corriente de 1 mA con una resistencia paralela de 60 kΩ. Por cada aumento de voltios en v_O, r_o Es responsable de un aumento en yo_O de (1 V) / (60 kΩ) = 16.7 µA.

Espejo actual con Beta Helper

Ahora deseamos echar un vistazo más de cerca a las corrientes de base del espejo básico de la Figura 3a. Es bien sabido que una corriente base de BJT yo_segundo Está relacionado con la corriente del colector. yo_do como yo_segundo = yo_do / ß, dónde ß es el BJT's ganancia de corriente. Típicamente, ß ≈ 100, aunque los BJT de circuito integrado pueden tener ß ≈ 250. Con referencia a la figura 3a, KCL en Q₁El nodo colector implica yo_yo = yo_C1 + yo_B1 + yo_B2 ≈ yo_C1 + 2i_B1 = yo_C1 +2i_C1/ß = yo_C1(1 + 2 /ß), o

Ecuación 4

Indicando que yo_C1 (y por lo tanto yo_C2, por acción de espejo) será un poco Menos que yo_yo. Por ejemplo, con ß = 100, yo_C1 y por lo tanto también yo_O (= yo_C2 = yo_C1) será alrededor del 98% de yo_yo. Si este error es intolerable, podemos obtener la ayuda de un tercer BJT Q₃ para suministrar yo_B1 y yo_B2 en la forma de la figura 5a.

(a) (b)

Figura 5. (a) espejo actual con beta ayudante, y (b) fuente de corriente Widlar.

Esto reduce el error de corriente en Q₁Nodo colector por un factor de aproximadamente ß, así que la ecuación (4) todavía se mantiene, pero con ß reemplazado por ß².

Fuente de corriente Widlar

En aplicaciones de polarización de CC, a menudo es necesario sintetizar una corriente yo_O << yo_yo. El circuito de la figura. 5bLlamado así por su inventor Bob Widlar, logra este objetivo mediante una resistencia. R en serie con Q₂ para reducir Q₂La caída de voltaje del emisor de base como

Ecuación 5

A este respecto, conviene recordar lo siguiente: Reglas de juego tan querido para los ingenieros en ejercicio:

• Subir (bajar) yo_do Por una octava, necesitas subir (bajar) v_SER por 18 mV (porque e^{± 18/26} ≈ 2^{± 1}).
• Subir (bajar) yo_do por un década, necesitas subir (bajar) v_SER por 60 mV (porque e^{± 60/26} ≈ 10^{± 1}).

Como ejemplo, supongamos que tenemos yo_yo = 1 mA (= 1,000 µA) y queremos yo_O = 20 µA. Podemos pensar en 20 como el resultado de dividir 1,000 por 10 para obtener 100, dividir 100 por 10 para obtener 10, y luego multiplicar 10 por 2 para obtener 20. Entonces, R debe caer (60 + 60 –18) mV = 102 mV. Entonces, R = (102 mV) / (20 µA) = 5.1 kΩ.

Espejo actual de Wilson

Hay aplicaciones en las que es deseable que un espejo actual (una) estar exentos del error beta de la ecuación (4), y (segundo) exhiben una resistencia de salida mucho mayor que la r_o de la ecuación (3), de modo que pueda aproximarse mucho a una fuente de corriente ideal o lavabo. El espejo de la figura. 6a, nombrado por su inventor G. R. Wilson, logra ambos objetivos con un solo transistor adicional Q₃ (Dos pájaros con una piedra). Este elegante circuito puede ser analizado sistemáticamente. ^[1], pero aquí nos limitaremos a una discusión intuitiva.

(a) (b)

Figura 6. (a) espejo actual de Wilson, y (b) su i_O vs. v_O caracteristica para i_yo = 1 mA y V_CC = 10 V.

Notamos eso Q₃ lleva la misma corriente que Q₂ porque están en serie, y Q₁, a su vez, refleja la corriente de Q₂, así, las mitades izquierda y derecha del circuito llevan idéntico corrientes Esto es corroborado por el hecho de que Q₃ extrae su corriente base de la mitad izquierda, mientras que Q₁ extrae su corriente base de la mitad derecha, de una manera de dar y recibir. (Un análisis sistemático ^[1] predice un error del tipo del ayudante beta)

Ahora, si intentamos subir v_O por, digamos, 1 V, el efecto temprano causaría yo_C3 aumentar en (1 V) /r_o. Esto causaría un aumento en v_BE2, por la ecuación (2), y esto, a su vez, causaría un aumento en yo_C1, por la ecuación (1). Habiéndose vuelto un poco más conductor, Q₁ estaría dejando menos corriente de base en Q₃, obligando a este último a conducir un poco menos. En palabras, cualquier intento de levantar yo_C3 Se cumple con una reacción que tiende a anular tal intento. De hecho, esta es una retroalimentación negativa! (Un análisis sistemático ^[1] predice una resistencia Norton de alrededor de ßr_o/ 2.) La llanura de la yo_O curva de la figura 6b ¡Confirma la excelente característica del espejo Wilson!

Espejos actuales en el trabajo

Puede ser divertido observar los esquemas de circuitos integrados e identificar la presencia y el propósito de los espejos actuales (CM). Por ejemplo, al pasar al amplificador operacional 741 de la Figura 7, identificamos los siguientes CM:

• El trío Q₅ – Q₆ – Q₇ Es un CM básico con beta helper. Este CM forma un carga activa para la etapa de entrada diferencial formada por la mitad izquierda (Q₁ – Q₃) y la mitad derecha (Q₂ – Q₄). Idealmente, las dos mitades deben coincidir perfectamente, pero en la práctica puede haber alguna falta de coincidencia, lo que resulta en un voltaje de compensación de entrada V_OS. Los emisores de Q₅ y Q₆ están equipados con resistencias de 1 kΩ para permitir la creación de un desequilibrio inducido externamente igual pero opuesto al desequilibrio de las mitades izquierda y derecha, de modo que se anule V_OS.
• El par Q₁₀ – Q₁₁ Es un sumidero de corriente Widlar. La corriente de polarización para diodo conectado Q₁₁ es establecido por R₅, que en realidad es un componente de doble propósito porque también sesga a diodos conectados Q₁₂.
• El CM básico Q₁₂ – Q₁₃ está diseñado para la fuente dos corrientes de forma independiente, una para proporcionar una carga activa Función para amplificador de emisor común Q₁₇, y el otro a parcialidad Los circuitos de la etapa de salida. La entrada actual Q₁₃El emisor se maneja por separado Q₁₃Los dos colectores, en porcentajes determinados por las áreas del colector.
• El par Q₈ – Q₉ forma otro CM básico, que, en relación con el fregadero Widlar Q₁₀ – Q₁₁, está diseñado para proporcionar la corriente de polarización de CC para las dos mitades de la etapa de entrada.
• ¿Puedes identificar otros CMs? Sí, efectivamente, es la pareja. Q₂₃ – Q₂₄. En condiciones normales de funcionamiento, estos BJT están desactivados porque Q₂₁ esta apagado. Sin embargo, si se produce una condición de sobrecarga en la salida, Q₂₁ continuará, encendiendo también Q₂₄. Por la acción del espejo, Q₂₃ continuará y morirá de hambre Q_dieciséis de corriente base para limitar la potencia disipada por la etapa de salida.

Figura 7. Circuito Esquema del 741. amplificador operacional (Cortesía de Fairchild Semiconductor Corporation).

A continuación, veamos el CFA de la Figura 8.

Figura 8. Esquema esquemático de un tarifa actualdback Amplificador (CFA).

Este circuito utiliza un par de CM de Wilson, Q₅ – Q₆ – Q₇ y Q₈ – Q₉ – Q₁₀, para replicar, respectivamente, las corrientes colectoras de Q₁ y Q₂ y proporcionar su diferencia en los terminales de base comunes de Q₁₃ y Q₁₄. En cierto modo, el CM superior actúa como un carga activa para el CM inferior, al igual que el CM inferior actúa como una carga activa para el CM superior. Además, el circuito de polarización de CC consta de las fuentes de corriente yo₃ y yo₁₃, y los sumideros actuales yo₄ y yo₁₄, que se muestran en forma simbólica para la simplicidad. Pero, si tuviéramos que ver un esquema más detallado, encontraríamos que también estas fuentes y sumideros se implementan en forma de CM.

Conclusión

Este artículo revisó brevemente la operación de BJT, luego exploró cuatro tipos de espejos de corriente de BJT: el espejo básico, el espejo con beta helper, la fuente de corriente Widlar y el espejo de Wilson. En la sección final, vimos algunos ejemplos de cómo se incorporan los espejos actuales a los circuitos integrados analógicos.

Los espejos actuales también se pueden implementar utilizando la tecnología CMOS. El artículo de AAC titulado The Basic MOSFET Constant-Current Source es un buen lugar para comenzar si desea obtener más información acerca de la versión CMOS del espejo actual.

Referencias

[1] http://online.sfsu.edu/sfranco/BookAnalog/AnalogJacket.pdf