Nuværende spejlkredsløb: wilson og widlar nuværende spejlingsteknikker

I den forrige artikel diskuterede vi om Current Mirror Circuit og hvordan det kan bygges ved hjælp af Transistor og MOSFET. På trods af at det grundlæggende aktuelle spejlkredsløb kan konstrueres ved hjælp af to enkle aktive komponenter, BJT'er og MOSFET'er eller ved hjælp af et forstærkerkredsløb, er output ikke perfekt, såvel som det har visse begrænsninger og afhængigheder af de eksterne ting. Så for at få et stabilt output anvendes yderligere teknikker i aktuelle spejlkredsløb.

Forbedring af det grundlæggende aktuelle spejlkredsløb

Der er flere muligheder for at forbedre output fra Current Mirror Circuit. I en af ​​løsningen tilføjes en eller to transistorer over det traditionelle to transistordesign. Konstruktion af disse kredsløb bruger emitterfollower-konfiguration til at overvinde transistorernes grundlæggende uoverensstemmelse. Designet kan have en anden form for kredsløbsstruktur for at afbalancere outputimpedansen.

Der er tre primære målinger til at analysere den aktuelle spejlydelse som en del af et stort kredsløb.

1. Første metric er mængden af ​​statisk fejl. Det er forskellen mellem input- og outputstrømme. Det er en hård opgave at minimere forskellen, da forskellen mellem den differentielle single-ended outputkonvertering og den differentielle forstærkerforstærkning er ansvarlig for at styre afvisningsforholdet mellem common mode og strømforsyning.

2. Den næstmest vigtige metric er den aktuelle kildeoutputimpedans eller outputkonduktansen. Det er afgørende, fordi det påvirker scenen igen under den aktuelle kilde fungerer som en aktiv belastning. Det påvirker også den fælles tilstandsforøgelse i forskellige situationer.

3. For den stabile drift af aktuelle spejlkredsløb er den sidste vigtige metric de mindste spændinger, der kommer fra strømskinneforbindelsen placeret på tværs af indgangs- og udgangsterminalerne.

For at forbedre produktionen af ​​Basic Current Mirror Circuit under hensyntagen til alle ovenstående præstationsmålinger, her vil vi diskutere med populære Current Mirror Techniques - Wilson Current Mirror Circuit og Widlar Current Source Circuit.

Wilson Current Mirror Circuit

Det hele startede med en udfordring mellem to ingeniører, George R. Wilson og Barrie Gilbert, om at skabe et forbedret nuværende spejlkredsløb natten over. Det er overflødigt at sige, at George R. Wilson vandt udfordringen i 1967. Fra navnet George R. Wilson kaldes det forbedrede aktuelle spejlkredsløb designet af ham Wilson Current Mirror Circuit.

Wilson nuværende spejlkredsløb bruger tre aktive enheder, der accepterer strømmen på tværs af dens input og giver den nøjagtige kopi eller spejlet kopi af strømmen til dens output.

Ovenfor Wilson Current Mirror Circuit er der tre aktive komponenter, der er BJT'er og en enkelt modstand R1.

Der antages to antagelser her - den ene er, at alle transistorer har den samme strømforstærkning, som er, og for det andet er, at kollektorstrømme for T1 og T2 er ens, da T1 og T2 matches og den samme transistor. Derfor

I _C1 = I _C2 = I _C

Og dette gælder også for basisstrømmen, I _B1 = I _B2 = I _B

Basisstrømmen for T3-transistoren kan let beregnes af den aktuelle forstærkning, som er

I _B3 = I _C3 / β… (1)

Og emitterstrømmen for T3 vil være

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3 … (2)

Hvis vi ser på ovenstående skematisk, er strømmen over T3-emitteren summen af ​​T2's kollektorstrøm og basisstrømme for T1 & T2. Derfor, I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

Som diskuteret ovenfor kan dette nu vurderes yderligere som

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

Derfor

I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

I _E3 kan ændres i henhold til (2)

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

Samlerstrømmen kan skrives som, I _C = ((1+ β) / (β + 2)) I _C3… (3)

Igen ifølge skematisk strøm igennem

Ovenstående ligning kan tegne et forhold mellem den tredje transistorsamler, der er strøm med inputmodstanden. Hvordan? Hvis 2 / (β (β + 2)) << 1, er I _C3 ≈ I _R1. Udgangsstrømmen kan også let beregnes, hvis transistorenes base-emitter spænding er mindre end 1V.

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

Så for en korrekt og stabil udgangsstrøm, R ₁ og V ₁ behov for at være i korrekte værdier. For at få kredsløbet til at fungere som en konstant strømkilde, skal R1 udskiftes med en konstant strømkilde.

Forbedring af Wilson Current Mirror Circuit

Wilson nuværende spejlkredsløb kan forbedres yderligere for at få perfekt nøjagtighed ved at tilføje en anden transistor.

Ovenstående kredsløb er den forbedrede version af Wilson nuværende spejlkredsløb. Den fjerde transistor T4 tilføjes i kredsløbet. Den ekstra transistor T4 afbalancerer kollektorspændingen på T1 og T2. Samlerspændingen for T1 stabiliseres med størrelsen lig med V _BE4. Dette resulterer i endelig

og stabiliserer også spændingsforskellene mellem T1 og T2.

Fordele og begrænsning af Wilson Current Mirror Technique

Det aktuelle spejlkredsløb har flere fordele i sammenligning med traditionelt grundlæggende spejlkredsløb-

1. I tilfælde af grundlæggende strømspejlkredsløb er basisstrømafvigelsen et almindeligt problem. Imidlertid eliminerer dette Wilson aktuelle spejlkredsløb stort set basisstrømbalancefejlen. På grund af dette er udgangsstrømmen næsten nøjagtig fra indgangsstrømmen. Ikke kun dette, kredsløbet anvender meget høj outputimpedans på grund af den negative feedback over T1 fra basen af ​​T3.
2. Det forbedrede Wilson nuværende spejlkredsløb er lavet ved hjælp af 4 transistorversioner, så det er nyttigt til drift ved høje strømme.
3. Wilson nuværende spejlkredsløb giver lav impedans ved indgangen.
4. Det kræver ikke yderligere forspænding, og der kræves minimale ressourcer for at konstruere det.

Begrænsninger for Wilson Current Mirror:

1. Når Wilson nuværende spejlkredsløb er forspændt med maksimal høj frekvens, forårsager den negative feedback-sløjfe ustabilitet i frekvensrespons.
2. Det har en højere overholdelsesspænding sammenlignet med det grundlæggende to transistorstrømsspejlkredsløb.
3. Wilson nuværende spejlkreds skaber støj på tværs af output. Dette skyldes den feedback, der øger outputimpedansen og direkte påvirker kollektorstrømmen. Samlerstrømssvingningen bidrager med støj på tværs af output.

Praktisk eksempel på Wilson Current Mirror Circuit

Her simuleres Wilson nuværende spejl ved hjælp af Proteus.

De tre aktive komponenter (BJT) bruges til at fremstille kredsløbet. BJT'erne er alle 2N2222 med samme specifikationer. Potten er valgt for at ændre strømmen på tværs af Q2-samleren, som yderligere reflekterer over Q3-samleren. Til outputbelastningen vælges en 10 ohm modstand.

Her er simuleringsvideoen til Wilson Current Mirror Technique-

I videoen reflekteres den programmerede spænding over Q2's kollektor over Q3-samleren.

Widlar nuværende spejlteknik

Et andet fremragende strømspejlkredsløb er Widlar Current Source Circuit, opfundet af Bob Widlar.

Kredsløbet er nøjagtigt det samme som det grundlæggende aktuelle spejlkredsløb ved hjælp af to BJT-transistorer. Men der er en ændring i udgangstransistoren. Udgangstransistoren bruger en emitter-degenerationsmodstand til at tilvejebringe lave strømme på tværs af udgangen ved kun at bruge moderat modstandsværdier.

Et af de mest populære applikationseksempler på Widlar-strømkilde er i uA741 operationelt forstærkerkredsløb.

I nedenstående billede vises et Widlar-strømkildekredsløb.

Kredsløbet består kun af to transistorer T1 & T2 og to modstande R1 & R2. Kredsløbet er det samme som de to transistors nuværende spejlkredsløb uden R2. R2 er forbundet i serie med T2-emitteren og jorden. Denne emittermodstand reducerer effektivt strømmen over T2 sammenlignet med T1. Dette gøres ved spændingsfaldet over denne modstand, dette spændingsfald reducerer basis-emitter-spændingen i udgangstransistoren, hvilket yderligere resulterer i reduceret kollektorstrøm over T2.

Analyse og udledning af outputimpedans for Widlar Current Mirror Circuit

Som tidligere nævnt, at strømmen på tværs af T2 er reduceret i sammenligning med T1-strøm, kan den yderligere testes og analyseres ved hjælp af Cadence Pspice-simuleringer. Lad os se Widlar-kredsløbskonstruktionen og simuleringerne i nedenstående billede,

Kredsløbet er konstrueret i Cadence Pspice. To transistorer med samme specifikation anvendes i kredsløbet, som er 2N2222. De aktuelle sonder viser det aktuelle plot på tværs af Q2 og Q1-samleren.

Den simuleringen kan ses i nedenstående billede.

I ovenstående figur reduceres det røde plot, som er kollektorstrømmen for Q1, sammenlignet med Q2.

Anvendelse af KVL (Kirchhoffs spændingslov) på tværs af basens emitterkryds i kredsløbet, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

Β ₂ er til udgangstransistoren. Det er helt forskelligt fra indgangstransistoren, da det aktuelle plot på simuleringsgrafen tydeligt viser, at strømmen i to transistorer er forskellig.

Den endelige formel kan trækkes fra ovenstående formel, hvis den endelige β tilsidesættes, og hvis vi ændrer I _C1 som I _IN og I _C2 som I _OUT. Derfor,

For at måle outputmodstanden for Widlar-strømkilden er det lille signal kredsløb en nyttig mulighed. Billedet nedenfor er et ækvivalent lille signalkredsløb til Widlar-strømkilden.

Den aktuelle Ix påføres over kredsløbet for at måle kredsløbets outputmodstand. Så som pr Ohms lov, at output modstand er

Vx / Ix

Det output modstand kan bestemmes ved at anvende Kirchoff lov tværs venstre jorden til R2, det er-

Igen ved at anvende Kirchhoffs spændingslov over R2-jorden til jorden med indgangsstrøm, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - pR ₀)

Nu ændrer værdien den endelige ligning for at udlede outputmodstanden for Widlar Current Mirror-kredsløbet

Så dette er, hvordan Wilson og Widlar aktuelle spejleteknikker kan bruges til at forbedre designet af Basic Current Mirror Circuit.