Espejo de corriente : un elemento del circuito del transistor , que es un generador de corriente , controlado por la corriente de entrada, en el que las corrientes de entrada y salida tienen diferentes direcciones y una salida común de la fuente de alimentación, y la relación de corrientes (coeficiente de reflexión) permanece constante en un amplio rango y depende poco del voltaje y la temperatura. El circuito de espejo de corriente clásico contiene dos transistores de la misma conductividad con resistencias en los circuitos colectores. La relación de los valores de las resistencias determina el coeficiente de reflexión, que puede ser menor o mayor que uno (pero no mayor que el coeficiente de transferencia de corriente del transistor de salida), si no hay resistencias, la corriente se transmite en una relación de 1:1.
Una condición necesaria para la precisión del espejo actual es una buena conexión de temperatura y la identidad constructiva de los transistores, que se implementa fácilmente como parte de los circuitos integrados , por lo que los espejos actuales se usan ampliamente allí . Si desea "copiar" una corriente de control a varias etapas (por ejemplo, para configurar sus corrientes de reposo), el espejo de corriente puede tener una entrada y varios transistores de salida que generan varias corrientes de salida diferentes.
La corriente de entrada de control [1] se aplica a la base y al colector del transistor de entrada de emisor común conectados entre sí. El aumento del voltaje en la base a un cierto nivel conduce a la apertura del transistor y la aparición de su corriente de colector, que, absorbiendo la mayor parte de la corriente de entrada, comienza a evitar un mayor aumento del voltaje en la base.
Por lo tanto, en la base del transistor de entrada y el colector conectados entre sí, la tensión correspondiente al umbral de apertura del transistor siempre se establece en la corriente de colector correspondiente, que[ quien? ] es igual a la corriente de excitación de entrada menos las pequeñas corrientes de base de los transistores de entrada y salida.
El voltaje establecido por el primer transistor se suministra a la base del segundo transistor de salida, también conectado de acuerdo con el circuito emisor común, que se abre tanto como el primer transistor está abierto, y crea una corriente de salida en su circuito colector correspondiente a la corriente de colector del transistor de entrada. Dado que el coeficiente de transferencia de corriente de la mayoría de los transistores modernos es mucho mayor que 100 y las corrientes de base en total representan no más de 1/50 de la corriente de entrada, se puede argumentar que la corriente de salida del espejo de corriente corresponderá a la entrada. corriente con una precisión de no más del 2% [2] . Puede haber varios transistores de salida, y cada uno de ellos será una fuente de corriente igual a la corriente de entrada menos la corriente total de las bases de todos los transistores, que, en esta realización, será mayor que la corriente de base total en un similar Circuito de dos transistores.
Una forma de obtener una relación de corriente no unitaria es incluir resistencias en el circuito emisor de cada transistor. En las resistencias incluidas, las corrientes que fluyen crean caídas de voltaje adicionales (generalmente no más de 0,5 V), que cambian el equilibrio actual. La relación de corrientes en este caso será aproximadamente inversamente proporcional a la relación de resistencias. Las resistencias también mejoran la estabilidad térmica y la linealidad del circuito, pero reducen un poco el rango de voltaje operativo. Si se requiere una precisión de transmisión muy alta, se utilizan sofisticados circuitos de espejo de corriente que utilizan varios transistores. Si los requisitos de precisión son bajos, el transistor de entrada puede reemplazarse por un diodo semiconductor con polarización directa, y el coeficiente de transferencia se selecciona mediante la inclusión obligatoria de resistencias en ambas ramas del circuito.
Dado que el voltaje de la unión pn depende de la temperatura, calentar o enfriar uno de los transistores en el circuito del espejo actual afectará el coeficiente de transferencia, y el uso de transistores de diferentes tipos e incluso lotes degradará la linealidad. Para excluir tales fenómenos, se usa la selección de transistores y se proporciona contacto térmico entre ellos, para requisitos altos se usa un ensamblaje especial de dos transistores, por ejemplo K159NT1, y se tiene en cuenta el calentamiento desigual del cristal en la topología de los microcircuitos. . Por la misma razón, el espejo de corriente proporciona una alta precisión solo con tensiones y corrientes bajas, ya que el calentamiento del cristal del transistor de salida debido a la alta disipación de potencia es difícil de compensar.
Hay tres características principales que caracterizan a un espejo actual. El primero de ellos es la ganancia (en el caso de un amplificador operacional) o la magnitud de la corriente de salida (en el caso de una fuente de corriente constante). El segundo es su resistencia de salida de CA, que determina cuánto varía la corriente de salida con el voltaje aplicado al espejo. La tercera característica es la mínima caída de tensión necesaria a la salida del espejo para que funcione correctamente. Este voltaje mínimo está dictado por la necesidad de mantener activo el transistor de salida del espejo. El rango de voltajes sobre el que opera el espejo se denomina rango de cumplimiento, y el voltaje que se encuentra en la línea divisoria entre el buen y el mal comportamiento se denomina rango de voltaje. También hay una serie de problemas menores relacionados con el trabajo con espejos, como la estabilidad de la temperatura.
Para el análisis en el modo de señal pequeña, el espejo actual se puede aproximar por su resistencia Norton equivalente.
Para un análisis rápido en el modo de señal grande, el espejo de corriente generalmente se reemplaza simplemente por una fuente de corriente ideal. Sin embargo, la fuente de corriente ideal no es equivalente en varios aspectos:
Un transistor bipolar se puede usar como un convertidor de corriente simple, pero su coeficiente de transferencia depende en gran medida de las fluctuaciones de temperatura, la resistencia a la radiación beta, etc. corriente "de convertidores colocados en las mismas condiciones y que tienen características inversas. No tienen que ser lineales, el único requisito es que sean "especulares" (por ejemplo, en el espejo de corriente del transistor a continuación, son logarítmicos y exponenciales). Como regla general, se utilizan dos convertidores idénticos, uno de los cuales se invierte mediante retroalimentación negativa. Por lo tanto, el espejo actual consta de dos convertidores idénticos en cascada (el primero es inverso y el segundo es directo).
El funcionamiento del espejo de corriente se "programa" ajustando la corriente de colector del transistor Q1. El voltaje U BE para Q1 se ajusta de acuerdo con la corriente, la temperatura ambiente y el tipo de transistor dados. Como resultado, se establece el modo de circuito y el transistor Q2, emparejado con el transistor Q1 (es mejor usar un transistor dual monolítico), transfiere la misma corriente a la carga que se establece en Q1. Las corrientes de base pequeñas pueden despreciarse.
Una de las ventajas del circuito descrito es que su rango de estabilidad de voltaje es Ukk menos algunas décimas de voltio, ya que no hay caída de voltaje en la resistencia del emisor. Además, en muchos casos es conveniente configurar la corriente usando la corriente. La forma más fácil de obtener la corriente de control Ipr usando una resistencia. Debido al hecho de que las uniones del emisor de los transistores son diodos, cuya caída de voltaje es pequeña en comparación con Ukk, la resistencia de 14,4 kΩ forma un control y, por lo tanto, una corriente de salida de 1 mA. Los espejos de corriente se pueden usar cuando se necesita una fuente de corriente en un circuito de transistor. Son ampliamente utilizados en el diseño de circuitos integrados cuando:
Incluso hay amplificadores operacionales integrados sin resistencia en los que la corriente de operación de todo el amplificador se ajusta usando una resistencia externa, y las corrientes de las etapas amplificadoras internas individuales se forman usando espejos de corriente. Dichos amplificadores se denominan respectivamente programables.
Un espejo de corriente simple tiene un inconveniente: la corriente de salida cambia algo con el voltaje de salida, es decir, la resistencia de salida del circuito no es infinita. Esto se debe a que a una corriente dada del transistor T1, la tensión UBE varía ligeramente en función de la tensión del colector (manifestación del efecto Earley ); en otras palabras, la gráfica de la corriente del colector frente al voltaje entre el colector y el emisor a un voltaje fijo entre la base y el emisor no es una línea horizontal. En la práctica, la corriente puede variar aproximadamente un 25 % sobre el rango de funcionamiento estable del circuito. Si necesita una fuente de corriente de mayor calidad (la mayoría de las veces no surgen tales requisitos), entonces el circuito que se muestra en la figura servirá. Las resistencias del emisor se eligen de tal manera que la caída de voltaje a través de ellas sea de unas pocas décimas de voltio. Tal circuito es una fuente de corriente mucho mejor, porque. en él, los cambios de voltaje U BE debidos a cambios en el voltaje U KE tienen un efecto insignificantemente pequeño en la corriente de salida. Los transistores combinados también deben usarse en este circuito.
Si tomamos el voltaje en la unión base-emisor del transistor como entrada y la corriente del colector como salida, entonces el transistor actuará como un convertidor exponencial de voltaje a corriente. Al aplicar retroalimentación negativa (simplemente conectando la base de Q1 a su colector), el transistor se puede "invertir" y actuará como un convertidor de corriente a voltaje logarítmico inverso (exponencial); ahora ajustará el voltaje de "salida" del emisor base (Q2) para "copiar" la corriente de entrada del colector de Q1 al colector de Q2.
Un espejo de corriente simple tiene un inconveniente importante: la corriente de salida cambia dentro de ciertos límites cuando cambia el voltaje de salida, es decir, la resistencia de salida de dicho circuito no es infinita. A una corriente de transistor dada, la tensión UBE y, con ella, la corriente del colector, varía en función de la tensión del colector.
Este circuito supera la desventaja descrita anteriormente y proporciona un alto grado de corriente de salida constante. Los transistores T1 y T2 en este circuito están conectados de la misma manera que en un espejo de corriente convencional, pero gracias al transistor T3, el potencial del colector de T2 es fijo y no afecta la corriente de salida.
El circuito de espejo de corriente se puede construir de tal manera que la corriente de salida saliente (o entrante, en el caso de usar un transistor de tipo npn) se transmita a varias cargas. El circuito que se muestra en la figura muestra cómo se implementa esta idea. Nota que si uno de los transistores, la fuente de corriente entra en modo de saturación (en el caso, por ejemplo, cuando se apaga su carga), entonces la base tomará una corriente mayor de la línea común que conecta las bases de todos sus transistores, y en relación con esto, las corrientes de salida restantes disminuirán La situación se puede mejorar si se agrega otro transistor al circuito.
La figura muestra dos variantes de un espejo de corriente de múltiples salidas. Estos circuitos reflejan el doble (o la mitad) de la corriente de excitación. Al desarrollar espejos de corriente en circuitos integrados, los coeficientes de reflexión de corriente se establecen eligiendo los tamaños (áreas) de las uniones del emisor.
Otra forma de obtener una corriente de salida que sea un múltiplo de la corriente de control es incluir una resistencia adicional en el circuito emisor del transistor de salida. Si el circuito opera con corrientes de diferentes densidades, entonces, de acuerdo con la ecuación de Ebers-Moll, la diferencia de voltaje U BE depende solo de la relación de densidades de corriente. Para transistores combinados, la relación de las corrientes de colector es igual a la relación de las densidades de corriente. El gráfico le permite determinar la diferencia de voltaje entre la base y el emisor en tal caso y es útil en el diseño de espejos de corriente con reflexión no singular.
La tabla muestra ejemplos típicos de circuitos espejo de corriente basados en transistores bipolares y sus circuitos MOS equivalentes . Las resistencias en un espejo de corriente bipolar son opcionales y son algo inusual en la tecnología MOS.[ ¿Qué? ] Los principales criterios para elegir un circuito espejo de corriente son la tensión de alimentación mínima, la impedancia de salida y los requisitos de precisión.
| Espejo de corriente simple | Espejo de corriente de tres transistores |
Espejo de corriente Cascode | espejo de corriente wilson | |
|---|---|---|---|---|
| en transistores bipolares | ||||
| Sobre la tecnología MOS |