Nykyinen peilipiiri: wilson- ja widlar-virtapeilausmenetelmät

Edellisessä artikkelissa keskustelimme nykyisestä peilipiiristä ja siitä, miten se voidaan rakentaa käyttämällä transistoria ja MOSFETiä. Huolimatta siitä, että perusvirtapeilipiiri voidaan rakentaa kahdella yksinkertaisella aktiivisella komponentilla, BJT: llä ja MOSFET: llä, tai vahvistinpiirillä, lähtö ei ole täydellinen, samoin kuin sillä on tiettyjä rajoituksia ja riippuvuuksia ulkoisista asioista. Joten vakaan tuotoksen saamiseksi nykyisissä peilipiireissä käytetään muita tekniikoita.

Nykyisen peilipiirin parantaminen

On olemassa useita vaihtoehtoja nykyisen peilipiirin ulostulon parantamiseksi. Yhdessä ratkaisusta yksi tai kaksi transistoria lisätään kahden perinteisen transistorin mallin yli. Näiden piirien rakentaminen käyttää lähettimen seuraajakokoonpanoa transistoreiden perusvirran epäsuhtauksen voittamiseksi. Suunnittelulla voi olla erilainen piirirakenne lähtöimpedanssin tasapainottamiseksi.

On kolme ensisijaista mittaria nykyisen peilien suorituskyvyn analysoimiseksi osana suurta piiriä.

1. Ensimmäinen mittari on staattisen virheen määrä. Se on ero tulo- ja lähtövirran välillä. Eron minimoiminen on vaikea tehtävä, koska differentiaalisen yksipäisen lähtömuunnoksen ero differentiaalivahvistimen vahvistuksella on vastuussa yhteisen tilan ja virtalähteen hylkäyssuhteen säätämisestä.

2. seuraavaksi tärkein tieto on virtalähteen lähtöimpedanssi lähdön tai johtokyky. Se on ratkaisevan tärkeää, koska se vaikuttaa vaiheeseen uudelleen, kun nykyinen lähde toimii kuin aktiivinen kuorma. Se vaikuttaa myös yhteisen tilan vahvistukseen eri tilanteissa.

3. Nykyisten peilipiirien vakaan toiminnan kannalta viimeinen tärkeä mittari on tulo- ja lähtöliittimien poikki sijaitsevan voimakiskoliitännän vähimmäisjännite.

Joten parantaa nykyisen peilipiirin lähtöä, ottaen huomioon kaikki yllä olevat suorituskykymittarit, keskustelemme täällä suosituimmista nykyisistä peilitekniikoista - Wilsonin nykyinen peilipiiri ja Widlar-virtalähde.

Wilsonin nykyinen peilipiiri

Kaikki alkoi kahden insinöörin, George R.Wilsonin ja Barrie Gilbertin, haasteella tehdä parannettu nykyinen peilipiiri yön yli. Tarpeetonta sanoa, että George R. Wilson voitti haasteen vuonna 1967. George R. Wilsonin nimestä hänen suunnittelema parannettu virtapeilipiiri on nimeltään Wilson Current Mirror Circuit.

Wilsonin nykyinen peilipiiri käyttää kolmea aktiivista laitetta, jotka hyväksyvät virran koko sisääntulossaan ja toimittavat virran tarkan kopion tai peilikopion lähtöönsä.

Yllä olevassa Wilsonin nykyisessä peilipiirissä on kolme aktiivista komponenttia, jotka ovat BJT: t ja yksi vastus R1.

Tässä tehdään kaksi oletusta - yksi on se, että kaikilla transistoreilla on sama virranvahvistus, joka on ja toinen on, että T1: n ja T2: n kollektorivirrat ovat yhtä suuret, koska T1 ja T2 ovat yhteensopivia ja sama transistori. Siksi

I _C1 = I _C2 = I _C

Ja tämä koskee myös perusvirtaa, I _B1 = I _B2 = I _B

T3-transistorin perusvirta voidaan helposti laskea virranvahvistuksella, joka on

I _B3 = I _C3 / β… (1)

Ja T3: n emitterivirta tulee olemaan

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3 … (2)

Jos tarkastelemme yllä olevaa kaaviota, virta T3-lähettimen yli on T2: n kollektorivirran ja T1: n ja T2: n perusvirtojen summa. Siksi, I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

Nyt, kuten edellä keskusteltiin, tätä voidaan edelleen arvioida

I _E3 = I _C + I _B + I _B I _E3 = I _C + 2I _B

Siten, I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

I _E3 voidaan vaihtaa (2)

((β + 1) / β)) I _C3 = (1+ (2 / β)) I _C

Keräimen virta voidaan kirjoittaa seuraavasti:

I _C = ((1+ β) / (β + 2)) I _C3 … (3)

Jälleen kaavamaisen mukaan virta läpi

Edellä oleva yhtälö voi piirtää suhteen kolmannen transistorin keräilijöiden välillä tulovastuksen kanssa. Miten? Jos 2 / (β (β + 2)) << 1, niin I _C3 ≈ I _R1. Lähtövirta voidaan myös helposti laskea, jos transistoreiden emäs-emitterijännite on alle 1 V.

I _C3 ≈ I _R1 = (V ₁ - V _BE2 - V _BE3) / R ₁

Niin, että oikea ja vakaa lähtövirta, R ₁ ja V ₁ on tarpeen olla oikeita arvoja. Jotta piiri toimisi vakiovirtalähteenä, R1 on korvattava vakiovirtalähteellä.

Wilsonin nykyisen peilipiirin parantaminen

Wilsonin nykyistä peilipiiriä voidaan parantaa edelleen täydellisen tarkkuuden saamiseksi lisäämällä toinen transistori.

Yllä oleva piiri on Wilsonin nykyisen peilipiirin parannettu versio. Neljäs transistori T4 lisätään piiriin. Lisätransistori T4 tasapainottaa T1: n ja T2: n kollektorijännitteen. T1: n keräysjännite vakautetaan määrällä, joka on yhtä suuri kuin V _BE4. Tämä johtaa rajalliseen

ja myös stabiloida T1: n ja T2: n väliset jännite-erot.

Wilsonin nykyisen peilitekniikan edut ja rajoitukset

Nykyisellä peilipiirillä on useita etuja verrattuna perinteiseen peruspeilipiiriin -

1. Perusvirtapeilipiirin tapauksessa perusvirran epäsuhta on yleinen ongelma. Tämä Wilsonin nykyinen peilipiiri eliminoi kuitenkin käytännössä perusvirtatasapainovirheen. Tästä johtuen lähtövirta on lähellä tarkkaa kuin tulovirta. Ei vain tämä, piiri käyttää erittäin suurta lähtöimpedanssia johtuen negatiivisesta palautteesta T1: n yli T3: n pohjasta.
2. Parannettu Wilsonin virtapeilipiiri on valmistettu käyttämällä 4 transistoriversiota, joten se on hyödyllinen suurille virroille.
3. Wilsonin nykyinen peilipiiri tarjoaa matalan impedanssin tulossa.
4. Se ei vaadi ylimääräistä esijännitettä ja sen rakentamiseen tarvitaan vähimmäisresursseja.

Wilsonin nykyisen peilin rajoitukset:

1. Kun Wilsonin virtapeilipiiri on esijännitetty suurimmalla mahdollisella taajuudella, negatiivinen takaisinkytkentäsilmukka aiheuttaa taajuusvasteen epävakautta.
2. Sillä on suurempi yhteensopivuusjännite verrattuna kahden transistorin perusvirtapiiriin.
3. Wilsonin nykyinen peilipiiri aiheuttaa melua koko lähdössä. Tämä johtuu takaisinkytkennästä, joka nostaa lähtöimpedanssia ja vaikuttaa suoraan kollektorivirtaan. Keräilijän vaihtelu aiheuttaa melua koko lähdössä.

Käytännön esimerkki Wilsonin nykyisestä peilipiiristä

Tässä Wilsonin nykyinen peili simuloidaan käyttämällä Proteusta.

Kolme aktiivista komponenttia (BJT) käytetään piirin tekemiseen. Kaikki BJT: t ovat 2N2222, samoilla ominaisuuksilla. Potti valitaan muuttamaan virtaa Q2-kollektorissa, mikä heijastuu edelleen Q3-kollektoriin. Lähtökuormitukselle valitaan 10 ohmin vastus.

Tässä on simulointivideo Wilson Current Mirror Technique-

Videossa Q2: n kollektorin yli ohjelmoitu jännite heijastuu Q3-kollektorin yli.

Widlarin nykyinen peilitekniikka

Toinen erinomainen nykyinen peilipiiri on Bob Widlarin keksimä Widlar-virtalähde.

Piiri on täsmälleen sama kuin perusvirtapeilipiiri, jossa käytetään kahta BJT-transistoria. Mutta lähtötransistorissa on muutos. Lähtötransistori käyttää emitterin degeneraatiovastusta tuottamaan pieniä virtoja lähdön yli käyttämällä vain kohtuullisia vastusarvoja.

Yksi Widlar-virtalähteen suosituimmista sovellusesimerkkeistä on uA741-operaatiovahvistinpiiri.

Alla olevassa kuvassa näkyy Widlar-virtalähde.

Piiri koostuu vain kahdesta transistorista T1 ja T2 ja kahdesta vastuksesta R1 ja R2. Piiri on sama kuin kahden transistorin virtapeilipiiri ilman R2: ta. R2 on kytketty sarjaan T2-lähettimen ja maan kanssa. Tämä emitterivastus vähentää tehokkaasti virtaa T2: ssa verrattuna T1: een. Tämä tapahtuu tämän vastuksen jännitehäviöllä, tämä jännitehäviö vähentää lähtötransistorin kanta-emitterijännitettä, mikä johtaa edelleen pienempään kollektorivirtaan T2: n yli.

Widlar-virran peilipiirin lähtöimpedanssin analysointi ja johtaminen

Kuten aiemmin mainittiin, virta T2: n yli on vähentynyt verrattuna T1-virtaan, joka voidaan testata edelleen ja analysoida käyttämällä Cadence Pspice -simulaatioita. Katsotaanpa Widlar-piirin rakenne ja simulaatiot alla olevasta kuvasta,

Piiri on rakennettu Cadence Pspicessa. Piirissä käytetään kahta transistoria, joilla on sama spesifikaatio, joka on 2N2222. Nykyiset anturit näyttävät nykyisen käyrän Q2- ja Q1-keräilijöiden poikki.

Simulointi voidaan nähdä alla kuvan.

Yllä olevassa kuvassa punainen käyrä, joka on Q1: n kollektorivirta, pienenee Q2: een verrattuna.

KVL: n (Kirchhoffin jännitelaki) soveltaminen piirin emäksisen emitteriliitoksen poikki, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

Β ₂ on tuotoksen transistori. Se on täysin erilainen kuin tulotransistori, koska simulaatiokaavion nykyinen käyrä osoittaa selvästi, että kahden transistorin virta on erilainen.

Lopullinen kaava voidaan vetää yllä olevasta kaavasta, jos äärellinen β ohitetaan ja jos muutamme I _C1: tä I _{IN: ksi} ja I _C2: ta I _{OUT: ksi}. Siksi,

Widlar-virtalähteen lähtövastuksen mittaamiseksi pieni signaalipiiri on hyödyllinen vaihtoehto. Alla oleva kuva on vastaava pieni signaalipiiri Widlar-virtalähteelle.

Virta Ix syötetään piirin yli piirin lähtövastuksen mittaamiseksi. Joten kohti Ohmin laki, tuotos vastus on

Vx / Ix

Lähtö vastus voidaan määrittää soveltamalla Kirchoffin lain poikki vasemmalle kentällä R2, se on-

Jälleen Kirchhoffin jännitelaki soveltamalla R2-maata tulovirran maahan, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - R- ₀)

Nyt, muuttamalla arvoa, lopullinen yhtälö Widlarin nykyisen peilipiirin lähtöresistanssin johtamiseksi on

Joten näin Wilsonin ja Widlarin nykyisiä peilitekniikoita voidaan käyttää parantamaan perusvirran peilipiirin malleja.