วงจรมิเรอร์ปัจจุบัน: วิลสันและเทคนิคการมิเรอร์กระแสไวด์ลาร์

ในบทความก่อนหน้านี้เราได้พูดถึง Current Mirror Circuit และวิธีสร้างโดยใช้ทรานซิสเตอร์และมอสเฟต แม้จะมีความจริงที่ว่าวงจรมิเรอร์กระแสไฟฟ้าพื้นฐานสามารถสร้างได้โดยใช้ส่วนประกอบที่ใช้งานง่ายสองอย่างคือ BJTs และ MOSFET หรือใช้วงจรเครื่องขยายเสียง แต่เอาท์พุทไม่สมบูรณ์แบบรวมทั้งมีข้อ จำกัด และการพึ่งพาสิ่งภายนอก ดังนั้นเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่มั่นคงจึงใช้เทคนิคเพิ่มเติมในวงจรมิเรอร์ปัจจุบัน

การปรับปรุงวงจรกระจกปัจจุบันขั้นพื้นฐาน

มีหลายทางเลือกในการปรับปรุงเอาต์พุตของ Current Mirror Circuit ในโซลูชันหนึ่งในโซลูชันหนึ่งหรือสองทรานซิสเตอร์จะถูกเพิ่มเข้าไปในการออกแบบทรานซิสเตอร์สองตัวแบบดั้งเดิม การสร้างวงจรเหล่านั้นใช้การกำหนดค่าผู้ติดตามอีซีแอลเพื่อเอาชนะความไม่ตรงกันในปัจจุบันของทรานซิสเตอร์ การออกแบบสามารถมีโครงสร้างวงจรประเภทต่างๆเพื่อปรับสมดุลของอิมพีแดนซ์เอาต์พุต

มีเมตริกหลักสามตัวในการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของกระจกปัจจุบันซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงจรขนาดใหญ่

1. ตัวชี้วัดแรกคือจำนวนของข้อผิดพลาดคง มันคือความแตกต่างระหว่างกระแสอินพุตและเอาต์พุต มันเป็นงานที่ยากที่จะลดความแตกต่างให้เหลือน้อยที่สุดเนื่องจากความแตกต่างของการแปลงเอาต์พุตแบบดิฟเฟอเรนเชียลเอนด์เอนด์ที่มีอัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์ส่วนต่างมีหน้าที่ควบคุมอัตราส่วนการปฏิเสธของโหมดทั่วไปและพาวเวอร์ซัพพลาย

2. ต่อไปตัวชี้วัดที่สำคัญที่สุดคือความต้านทานแหล่งส่งออกในปัจจุบันหรือสื่อกระแสไฟฟ้าที่ส่งออก เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากส่งผลกระทบต่อพื้นที่งานอีกครั้งในระหว่างที่แหล่งที่มาปัจจุบันทำหน้าที่เหมือนโหลดที่ใช้งานอยู่ นอกจากนี้ยังมีผลต่อการเพิ่มโหมดทั่วไปในสถานการณ์ต่างๆ

3.สำหรับการทำงานที่มั่นคงของวงจรมิเรอร์ในปัจจุบันตัวชี้วัดที่สำคัญสุดท้ายคือแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่มาจากการเชื่อมต่อรางไฟฟ้าที่อยู่ตรงข้ามขั้วอินพุตและเอาต์พุต

ดังนั้นเพื่อปรับปรุงเอาต์พุตของ Basic Current Mirror Circuit โดยพิจารณาจากตัวชี้วัดประสิทธิภาพข้างต้นทั้งหมดที่นี่เราจะพูดถึงเทคนิคกระจกเงาปัจจุบันยอดนิยม - Wilson Current Mirror Circuit และ Widlar Current Source Circuit

Wilson Current Mirror Circuit

ทุกอย่างเริ่มต้นด้วยความท้าทายระหว่างวิศวกรสองคนจอร์จอาร์วิลสันและแบร์รีกิลเบิร์ตในการสร้างวงจรมิเรอร์ปัจจุบันที่ดีขึ้นในชั่วข้ามคืน จำเป็นต้องพูดว่าจอร์จอาร์วิลสันได้รับรางวัลความท้าทายในปี 1967 จากชื่อของจอร์จอาร์วิลสันได้มีการปรับปรุงวงจรสะท้อนกระแสการออกแบบโดยเขาจะเรียกว่าวิลสันปัจจุบันกระจกวงจร

วงจรมิเรอร์ปัจจุบันของ Wilson ใช้อุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่สามเครื่องที่รับกระแสไฟฟ้าผ่านอินพุตและจัดเตรียมสำเนาที่ถูกต้องหรือสำเนาของกระแสไฟฟ้าไปยังเอาต์พุต

ใน Wilson Current Mirror Circuit ข้างต้นมีส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่สามตัวคือ BJT และตัวต้านทานเดี่ยว R1

มีสมมติฐานสองข้อที่นี่ - หนึ่งคือทรานซิสเตอร์ทั้งหมดมีอัตราขยายกระแสเท่ากันและประการที่สองคือกระแสของตัวสะสมของ T1 และ T2 มีค่าเท่ากันเนื่องจาก T1 และ T2 จับคู่กันและเป็นทรานซิสเตอร์ตัวเดียวกัน ดังนั้น

ฉัน_C1 = ฉัน_C2 = ฉัน_C

และสิ่งนี้ใช้กับกระแสฐานด้วย

ฉัน_B1 = ฉัน_B2 = ฉัน_B

กระแสฐานของทรานซิสเตอร์ T3 สามารถคำนวณได้อย่างง่ายดายโดยอัตราขยายปัจจุบันซึ่งก็คือ

ฉัน_B3 = ฉัน_C3 / β… (1)

และกระแสของตัวปล่อยของ T3 จะเป็น

ฉัน_B3 = ((β + 1) / β) ฉัน_C3 … (2)

หากเราดูที่แผนผังด้านบนกระแสในตัวปล่อย T3 คือผลรวมของกระแสสะสมของ T2 และกระแสฐานของ T1 & T2 ดังนั้น, ฉัน_E3 = ฉัน_C2 + ฉัน_B1 + ฉัน_B2

ตอนนี้ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นสามารถประเมินเพิ่มเติมได้ว่า

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

ดังนั้น

I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

I _E3สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตาม (2)

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

กระแสของตัวสะสมสามารถเขียนเป็น

ฉัน_C = ((1+ β) / (β + 2)) ฉัน_C3 … (3)

อีกครั้งตามแผนผังปัจจุบันผ่าน

สมการข้างต้นสามารถวาดความสัมพันธ์ระหว่างตัวสะสมทรานซิสเตอร์ตัวที่สามในปัจจุบันกับตัวต้านทานอินพุต อย่างไร? ถ้า 2 / (β (β + 2)) << 1 แล้วผม_C3 ≈ฉันR1 นอกจากนี้ยังสามารถคำนวณกระแสเอาต์พุตได้อย่างง่ายดายหากแรงดันไฟฟ้าฐานของทรานซิสเตอร์มีค่าน้อยกว่า 1V

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

ดังนั้นเพื่อให้กระแสเอาต์พุตที่เหมาะสมและเสถียร R ₁และ V ₁ต้องอยู่ในค่าที่เหมาะสม เพื่อให้วงจรทำหน้าที่เป็นแหล่งกระแสคงที่จำเป็นต้องเปลี่ยน R1 ด้วยแหล่งกระแสคงที่

การปรับปรุงวงจร Wilson Current Mirror

วิลสันวงจรสะท้อนกระแสสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ความถูกต้องสมบูรณ์แบบโดยการเพิ่มทรานซิสเตอร์อีก

วงจรข้างต้นเป็นวงจรมิเรอร์ปัจจุบันของ Wilson รุ่นปรับปรุง มีการเพิ่มทรานซิสเตอร์ตัวที่สี่ T4 ในวงจร ทรานซิสเตอร์เพิ่มเติม T4 จะปรับสมดุลของแรงดันไฟฟ้าสะสมของ T1 และ T2 แรงดันสะสมของ T1 จะมีความเสถียรโดยจำนวนเงินที่เท่ากับวีbe4 ผลลัพธ์นี้มีข้อ จำกัด

และยังคงความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่าง T1 และ T2

ข้อดีและข้อ จำกัด ของเทคนิคกระจกเงาปัจจุบันของ Wilson

วงจรมิเรอร์ปัจจุบันมีข้อดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับวงจรกระจกปัจจุบันพื้นฐานแบบดั้งเดิม -

1. ในกรณีของวงจรมิเรอร์กระแสพื้นฐานความไม่ตรงกันของกระแสพื้นฐานเป็นปัญหาที่พบบ่อย อย่างไรก็ตามวงจรมิเรอร์กระแสไฟฟ้าของ Wilson นี้ช่วยขจัดข้อผิดพลาดพื้นฐานของสมดุลกระแสไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้กระแสเอาต์พุตจึงใกล้เคียงกับความถูกต้องของกระแสอินพุต ไม่เพียงแค่นี้วงจรยังใช้อิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่สูงมากเนื่องจากผลตอบรับเชิงลบทั่ว T1 จากฐานของ T3
2. วงจรมิเรอร์กระแส Wilson ที่ได้รับการปรับปรุงทำโดยใช้ทรานซิสเตอร์ 4 รุ่นจึงมีประโยชน์สำหรับการทำงานที่กระแสสูง
3. วงจรกระจกปัจจุบันของ Wilson ให้อิมพีแดนซ์ต่ำที่อินพุต
4. ไม่ต้องใช้แรงดันไบแอสเพิ่มเติมและต้องใช้ทรัพยากรขั้นต่ำในการสร้าง

ข้อ จำกัด ของ Wilson Current Mirror:

1. เมื่อวงจรมิเรอร์กระแสของ Wilson เอนเอียงด้วยความถี่สูงสูงสุดลูปป้อนกลับเชิงลบจะทำให้การตอบสนองความถี่ไม่เสถียร
2. มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับวงจรมิเรอร์กระแสทรานซิสเตอร์พื้นฐานสองตัว
3. วงจรกระจกปัจจุบันของ Wilson สร้างสัญญาณรบกวนในเอาต์พุต เนื่องจากข้อเสนอแนะที่เพิ่มความต้านทานเอาต์พุตและส่งผลโดยตรงต่อกระแสของตัวเก็บรวบรวม ความผันผวนของกระแสตัวเก็บรวบรวมก่อให้เกิดเสียงระหว่างเอาต์พุต

ตัวอย่างการปฏิบัติของ Wilson Current Mirror Circuit

ที่นี่กระจกปัจจุบันของ Wilson จำลองโดยใช้ Proteus

ส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ (BJT) ทั้งสามใช้ในการสร้างวงจร BJT เป็น 2N2222 ทั้งหมดที่มีคุณสมบัติเดียวกัน หม้อถูกเลือกเพื่อเปลี่ยนกระแสในตัวสะสม Q2 ซึ่งจะสะท้อนไปยังตัวสะสม Q3 ต่อไป สำหรับโหลดเอาต์พุตกำลังเลือกตัวต้านทาน 10 โอห์ม

นี่คือวิดีโอจำลองสำหรับ Wilson Current Mirror Technique-

ในวิดีโอแรงดันไฟฟ้าที่ตั้งโปรแกรมไว้ในตัวสะสมของ Q2 กำลังสะท้อนไปทั่วตัวสะสม Q3

Widlar เทคนิคกระจกปัจจุบัน

วงจรมิเรอร์ในปัจจุบันที่ยอดเยี่ยมอีกอย่างหนึ่งคือวงจรแหล่งกำเนิดกระแส Widlarซึ่งคิดค้นโดย Bob Widlar

วงจรเหมือนกับวงจรมิเรอร์กระแสพื้นฐานที่ใช้ทรานซิสเตอร์ BJT สองตัว แต่มีการปรับเปลี่ยนในทรานซิสเตอร์เอาต์พุต ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตใช้ตัวต้านทานการเสื่อมสภาพของอีซีแอลเพื่อให้กระแสต่ำทั่วทั้งเอาต์พุตโดยใช้ค่าตัวต้านทานปานกลาง

หนึ่งในตัวอย่างแอพพลิเคชั่นยอดนิยมของแหล่งกระแส Widlar อยู่ในวงจรขยายสัญญาณการทำงาน

ในภาพด้านล่างจะแสดงวงจรแหล่งกำเนิดกระแส Widlar

วงจรประกอบด้วยทรานซิสเตอร์เพียงสองตัว T1 & T2 และตัวต้านทานสองตัว R1 & R2 วงจรเหมือนกับวงจรมิเรอร์ปัจจุบันของทรานซิสเตอร์สองตัวที่ไม่มี R2 R2 เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับตัวปล่อย T2 และกราวด์ ตัวต้านทานตัวปล่อยนี้ช่วยลดกระแสไฟฟ้าข้าม T2 ได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับ T1 สิ่งนี้ทำได้โดยแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานนี้แรงดันตกนี้จะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าฐานอิมิตเตอร์ของทรานซิสเตอร์เอาท์พุทซึ่งจะส่งผลให้กระแสตัวสะสมลดลงทั่ว T2

การวิเคราะห์และรับค่าอิมพีแดนซ์เอาต์พุตสำหรับวงจรมิเรอร์กระแส Widlar

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่ากระแสไฟฟ้าใน T2 ลดลงเมื่อเทียบกับกระแส T1 ซึ่งสามารถทดสอบและวิเคราะห์เพิ่มเติมได้โดยใช้การจำลอง Cadence Pspice มาดูการสร้างวงจร Widlar และการจำลองในภาพด้านล่าง

วงจรถูกสร้างขึ้นใน Cadence Pspice ใช้ทรานซิสเตอร์สองตัวที่มีคุณสมบัติเหมือนกันในวงจรซึ่งคือ 2N2222 โพรบปัจจุบันกำลังแสดงพล็อตปัจจุบันในตัวรวบรวม Q2 และ Q1

การจำลองสามารถเห็นได้จากภาพด้านล่าง

ในรูปด้านบนพล็อตสีแดงซึ่งเป็นกระแสสะสมของ Q1 กำลังลดลงเมื่อเทียบกับ Q2

การใช้ KVL (กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff) ข้ามทางแยกตัวส่งสัญญาณฐานของวงจร

V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

β ₂สำหรับทรานซิสเตอร์เอาต์พุต แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับทรานซิสเตอร์อินพุตเนื่องจากพล็อตปัจจุบันบนกราฟจำลองแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ากระแสในทรานซิสเตอร์สองตัวแตกต่างกัน

สูตรสุดท้ายจะมาจากสูตรข้างต้นถ้าβ จำกัด จะตกไปและถ้าเราเปลี่ยนฉัน_C1เป็นฉัน_ในและฉัน_C2เป็นฉันOUT ดังนั้น,

ในการวัดความต้านทานเอาต์พุตของแหล่งกระแส Widlar วงจรสัญญาณขนาดเล็กเป็นตัวเลือกที่มีประโยชน์ ภาพด้านล่างเป็นเทียบเท่าวงจรสัญญาณขนาดเล็กสำหรับ Widlar มาในปัจจุบัน

Ix ปัจจุบันถูกนำไปใช้กับวงจรเพื่อวัดความต้านทานขาออกของวงจร ดังนั้นตามกฎของโอห์มความต้านทานเอาต์พุตคือ

Vx / Ix

ความต้านทานเอาต์พุตสามารถกำหนดได้โดยใช้กฎของ Kirchoff บนพื้นด้านซ้ายกับ R2 นั่นคือ -

อีกครั้งโดยใช้กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff กับกราวด์ R2 กับกราวด์อินพุตปัจจุบัน

V _X = ฉัน_X (R ₀ + R ₂) + ฉัน_b (R ₂ - βR ₀)

ตอนนี้การเปลี่ยนค่าสมการสุดท้ายเพื่อหาค่าความต้านทานขาออกของวงจร Widlar Current Mirror คือ

นี่คือวิธีที่สามารถใช้เทคนิคกระจกเงาปัจจุบันของ Wilson และ Widlarเพื่อปรับปรุงการออกแบบวงจรกระจกกระแสไฟฟ้าขั้นพื้นฐาน