Strömspegel - ett element i transistorkretsar , som är en strömgenerator , styrd av ingångsströmmen, där ingångs- och utströmmarna har olika riktningar och en gemensam utgång från strömkällan, och förhållandet mellan strömmar (reflektionskoefficient) kvarstår konstant över ett brett område och beror lite på spänning och temperatur. Den klassiska strömspegelkretsen innehåller två transistorer med samma konduktivitet med resistorer i kollektorkretsarna. Förhållandet mellan motståndsvärdena bestämmer reflektionskoefficienten, som kan vara antingen mindre eller större än en (men inte högre än strömöverföringskoefficienten för utgångstransistorn), om det inte finns några motstånd, överförs strömmen i ett förhållande av 1:1.
En nödvändig förutsättning för den aktuella spegelns noggrannhet är en bra temperaturanslutning och konstruktiv identitet för transistorer, som enkelt implementeras som en del av integrerade kretsar , så strömspeglar används ofta där . Om man vill "kopiera" en styrström till flera steg (till exempel för att ställa in deras viloströmmar) kan strömspegeln ha en ingång och flera utgångstransistorer som genererar flera olika utströmmar.
Styringångsströmmen [1] tillförs basen och kollektorn på den gemensamma emitter-ingångstransistorn som är sammankopplade. Att öka spänningen på basen till en viss nivå leder till att transistorn öppnas och dess kollektorström uppträder, som tar på sig det mesta av inströmmen och börjar förhindra en ytterligare ökning av spänningen på basen.
Således, på ingångstransistorbasen och kollektorn som är sammankopplade, är spänningen som motsvarar transistorns öppningströskel alltid inställd på motsvarande kollektorström, vilket[ vem? ] är lika med ingångsdrivströmmen minus de små basströmmarna för ingångs- och utgångstransistorerna.
Spänningen inställd av den första transistorn matas till basen av den andra utgångstransistorn, även ansluten enligt den gemensamma emitterkretsen, som öppnar lika mycket som den första transistorn är öppen och skapar en utström i dess kollektorkrets motsvarande till kollektorströmmen för ingångstransistorn. Eftersom strömöverföringskoefficienten för de flesta moderna transistorer är mycket mer än 100 och basströmmarna totalt står för högst 1/50 av ingångsströmmen, kan det hävdas att strömspegelns utström kommer att motsvara ingången ström med en noggrannhet på högst 2 % [2] . Det kan finnas flera utgångstransistorer, och var och en av dem kommer att vara en strömkälla lika med ingångsströmmen minus den totala strömmen för baserna för alla transistorer, som i denna utföringsform kommer att vara större än den totala basströmmen i en liknande två-transistorkrets.
Ett sätt att erhålla ett icke-enhetsströmförhållande är att inkludera resistanser i emitterkretsen för varje transistor. På de inkluderade motstånden skapar de strömmande strömmarna ytterligare spänningsfall (vanligtvis inte mer än 0,5 V), vilket ändrar strömbalansen. Förhållandet mellan strömmar i detta fall kommer att vara ungefär omvänt proportionell mot förhållandet mellan motstånd. Resistanser förbättrar också kretsens termiska stabilitet och linjäritet, men minskar arbetsspänningsområdet något. Om mycket hög överföringsnoggrannhet krävs, används sofistikerade strömspegelkretsar som använder flera transistorer. Om kraven på noggrannhet är låga, kan ingångstransistorn ersättas av en framåtspänd halvledardiod, och överföringskoefficienten väljs genom obligatorisk inkludering av motstånd i båda grenarna av kretsen.
Eftersom spänningen på pn-övergången beror på temperatur, kommer uppvärmning eller kylning av en av transistorerna i den aktuella spegelkretsen att påverka överföringskoefficienten, och användningen av transistorer av olika typer och till och med partier kommer att försämra linjäriteten. För att utesluta sådana fenomen används valet av transistorer och termisk kontakt tillhandahålls mellan dem, för höga krav används en speciell sammansättning av två transistorer, till exempel K159NT1, och ojämn uppvärmning av kristallen beaktas i topologin för mikrokretsar . Av samma anledning ger strömspegeln hög noggrannhet endast vid låga spänningar och strömmar, eftersom uppvärmningen av utgångstransistorkristallen på grund av hög effektförlust är svår att kompensera.
Det finns tre huvudegenskaper som kännetecknar en strömspegel. Den första av dessa är förstärkningen (i fallet med en operationsförstärkare) eller storleken på utströmmen (i fallet med en konstant källström). Den andra är dess AC-utgångsresistans, som bestämmer hur mycket utströmmen varierar med spänningen som appliceras på spegeln. Den tredje egenskapen är det minsta spänningsfallet som krävs vid spegelns utgång för att få den att fungera korrekt. Denna minimispänning dikteras av behovet av att hålla spegelutgångstransistorn aktiv. Spänningsintervallet som spegeln fungerar över kallas följsamhetsintervallet, och spänningen som ligger på skiljelinjen mellan bra och dåligt beteende kallas spänningsintervallet. Det finns också ett antal mindre problem relaterade till att arbeta med speglar, såsom temperaturstabilitet.
För analys i läget för liten signal kan strömspegeln approximeras med dess ekvivalenta Norton-resistans.
För snabb analys i stort signalläge ersätts strömspegeln vanligtvis helt enkelt av en idealisk strömkälla. Den ideala strömkällan är dock inte likvärdig i flera avseenden:
En bipolär transistor kan användas som en enkel strömomvandlare, men dess överföringskoefficient är starkt beroende av temperaturfluktuationer, motstånd mot betastrålning, etc. För att eliminera dessa oönskade störningar består strömspegeln av två kaskadkopplade ström-spänning och "spänning - - ström för omvandlare placerade under samma förhållanden och med omvända egenskaper. De behöver inte vara linjära, det enda kravet är att de är "spekulära" (till exempel i transistorströmspegeln nedan är de logaritmiska och exponentiella). Som regel används två identiska omvandlare, varav en inverteras med negativ återkoppling. Således består strömspegeln av två kaskadkopplade identiska omvandlare (den första är omvänd och den andra är direkt).
Strömspegelns funktion "programmeras" genom att ställa in kollektorströmmen för transistorn Q1. Spänningen U BE för Q1 ställs in i enlighet med given ström, omgivningstemperatur och transistortyp. Som ett resultat är kretsläget inställt och transistorn Q2, matchad med transistorn Q1 (det är bäst att använda en monolitisk dubbeltransistor), överför samma ström till lasten som är inställd på Q1. Små basströmmar kan försummas.
En av fördelarna med den beskrivna kretsen är att dess spänningsstabilitetsområde är Ukk minus några tiondels volt, eftersom det inte finns något spänningsfall över emittermotståndet. Dessutom är det i många fall bekvämt att ställa in strömmen med strömmen. Det enklaste sättet att få styrströmmen Ipr med hjälp av ett motstånd. På grund av det faktum att transistorernas emitterövergångar är dioder, vars spänningsfall är litet jämfört med Ukk, bildar 14,4 kΩ-motståndet en kontroll, och därmed en utström på 1 mA. Strömspeglar kan användas när en strömkälla behövs i en transistorkrets. De används ofta i designen av integrerade kretsar när:
Det finns till och med motståndslösa integrerade operationsförstärkare där hela förstärkarens driftsström ställs in med hjälp av ett externt motstånd, och strömmarna för individuella interna förstärkningssteg bildas med hjälp av strömspeglar. Sådana förstärkare kallas respektive programmerbara.
En enkel strömspegel har en nackdel: utgångsströmmen ändras något med utgångsspänningen, det vill säga kretsens utgångsresistans är inte oändlig. Detta beror på det faktum att vid en given ström av transistorn T1 ändras spänningen UBE något beroende på kollektorspänningen (manifestation av Earley-effekten ); med andra ord, plotten av kollektorström kontra spänning mellan kollektor och emitter vid en fast spänning mellan bas och emitter är inte en horisontell linje. I praktiken kan strömmen variera med ungefär 25 % över kretsens stabila arbetsområde. Om du behöver en strömkälla av högre kvalitet (oftast uppstår inte sådana krav), kommer kretsen som visas i figuren att fungera. Emittermotstånden är valda på ett sådant sätt att spänningsfallet över dem är några tiondels volt. En sådan krets är en mycket bättre strömkälla, eftersom. i den har spänningsförändringar U BE på grund av förändringar i spänningen U KE en försumbar liten effekt på utströmmen. Matchade transistorer bör också användas i denna krets.
Om vi tar spänningen vid transistorns bas-emitterövergång som ingång och kollektorströmmen som utgång, kommer transistorn att fungera som en exponentiell spänning-till-ström-omvandlare. Genom att applicera negativ återkoppling (enbart genom att ansluta Q1:s bas till sin kollektor) kan transistorn "inverteras" och den kommer att fungera som en invers logaritmisk (exponentiell) ström-till-spänning-omvandlare; den kommer nu att justera bas-emitterns (Q2) "utgångs"-spänning för att "kopiera" kollektorinströmmen för Q1 till kollektorn för Q2.
En enkel strömspegel har en betydande nackdel - utströmmen ändras inom vissa gränser när utspänningen ändras, det vill säga utgångsresistansen för en sådan krets är inte oändlig. Vid en given transistorström varierar spänningen UBE och därmed kollektorströmmen beroende på kollektorspänningen.
Denna krets övervinner den ovan beskrivna nackdelen och ger en hög grad av konstant utström. Transistorerna T1 och T2 i denna krets är anslutna på samma sätt som i en konventionell strömspegel, men tack vare transistorn T3 är kollektorpotentialen hos T2 fast och påverkar inte utströmmen.
Strömspegelkretsen kan byggas på ett sådant sätt att den utgående utströmmen (eller inflöde - vid användning av en transistor av npn-typ kommer att överföras till flera belastningar. Kretsen som visas i figuren visar hur denna idé implementeras. Obs. att om en av transistorerna - strömkällan går in i mättnadsläge (i fallet, till exempel när dess belastning är avstängd), kommer basen att ta en ökad ström från den gemensamma linjen som ansluter baserna för alla dess transistorer, och i samband med detta kommer de återstående utgångsströmmarna att minska.Situationen kan förbättras om man lägger till ytterligare en transistor till kretsen.
Figuren visar två varianter av en flerutgångsströmspegel. Dessa kretsar reflekterar dubbel (eller halv) drivström. Vid utveckling av strömspeglar i integrerade kretsar ställs strömreflektionskoefficienterna genom att välja storleken (arean) på emitterövergångarna.
Ett annat sätt att få en utgångsström som är en multipel av styrströmmen är att inkludera ett extra motstånd i utgångstransistorns emitterkrets. Om kretsen arbetar med strömmar med olika densiteter, beror spänningsskillnaden U BE enligt Ebers-Moll-ekvationen endast på förhållandet mellan strömtätheter. För matchade transistorer är förhållandet mellan kollektorströmmar lika med förhållandet mellan strömtätheter. Grafen låter dig bestämma spänningsskillnaden mellan basen och emittern i ett sådant fall och är användbar vid utformningen av strömspeglar med icke-singular reflektion.
Tabellen visar typiska exempel på strömspegelkretsar baserade på bipolära transistorer och deras motsvarande MOS- kretsar. Motstånd i en bipolär strömspegel är valfria och är något ovanligt inom MOS-teknik.[ vad? ] Huvudkriterierna för att välja en strömspegelkrets är minimiförsörjningsspänning, utgångsimpedans och noggrannhetskrav.
| Enkel strömspegel | Strömspegel med tre transistorer |
Cascode aktuell spegel | Wilson nuvarande spegel | |
|---|---|---|---|---|
| på bipolära transistorer | ||||
| På MOS -teknik |