Токовое зеркало

Токовое зеркало — генератор тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз. Токовое зеркало – это схема, предназначенная для копирования через одно активное устройство, контролируя ток в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянный ток на выходе, независимо от нагрузки. "Копируемый" ток может быть и иногда является переменным током. Концептуально, идеальное токовое зеркало – это просто идеальный инвертируюший операционный усилитель, который также меняет направление тока, или это управляемый током источник тока .Токовое зеркало используется для смещения токов и питания активных нагрузок в цепях. Токовые зеркала на транзисторах чрезвычайно широко используются в аналоговых интегральных схемах благодаря своей простоте (требуются всего два согласованных транзистора) и эффективности. Токовые зеркала обычно используются для того, чтобы «скопировать» один управляющий ток на множество каскадов, и тем самым задать их ток покоя.

Характеристики токового зеркала

Есть три основные характеристики, которые характеризуют токовое зеркало. Первыми из них являются коэффициент передачи (в случае операционного усилителя) или величина выходного тока (в случае постоянного тока CCSШаблон:Какого? источника). Во-вторых, его выходное сопротивление для переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу. Третья спецификация – это минимальное падение напряжения на выходе зеркала, необходимого, чтобы заставить ее работать должным образом. Это минимальное напряжение продиктовано необходимостью поддерживать выходной транзистор зеркала в активном режиме. Диапазон напряжений, в котором работает зеркало, называется диапазоном соответствия, и напряжение, лежащее на разделе между хорошим и плохим поведением, называется диапазоном напряжения. Есть также ряд второстепенных вопросов по работе с зеркалами, например, температурная стабильность.

Практические приближения

Для анализа в режиме малого сигнала токовое зеркало можно приблизить его эквивалентным сопротивлением Нортона. In large-signal hand analysis, текущее зеркало, как правило, просто заменяется идеальным источником тока. Тем не менее, идеальный источник тока не является эквивалентом в нескольких отношениях:

1. он имеет бесконечное сопротивление переменного тока, в то время как реальное зеркало имеет конечное сопротивление
2. он обеспечивает один и тот же ток, независимо от напряжения, то есть, нет никаких требований по диапазону соответствия
3. он не имеет ограничений по частоте, в то время как реальное зеркало имеет свои ограничения из-за паразитных емкостей транзисторов
4. идеальный источник не чувствителен ко внешним эффектам, таким как шум, перепадам напряжения источника питания и допускам на элементы схемы.

Реализация схем токовых зеркал

Пример включения токового зеркала на биполярных транзисторах

Основная идея

Биполярный транзистор может быть использован в качестве простейшего преобразователя тока, но его коэффициент передачи сильно зависит от колебаний температуры, стойкости к бета-излучению и т. д. Для устранения этих нежелательных помех токовое зеркало состоит из двух каскадно соединенных «ток — напряжение» и «напряжение — ток» преобразователей, размещёных при одинаковых условиях и имеющих обратные характеристики. Не обязательно, чтобы они были линейными, единственным требованием является их «зеркальность» (например, в транзисторном токовом зеркале ниже они логарифмические и экспоненциальные). Как правило, используются два одинаковых преобразователей, но характерный обращаются с применением отрицательной обратной связи. Таким образом, токовое зеркало состоит из двух каскадных одинаковых преобразователей (первый - обратный, и второй - прямой).

Работа токового зеркала «программируется» путём задания коллекторного тока транзистора T1. Напряжение Uвэ для T1 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор T2, согласованный с транзистором T1 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), предаёт в нагрузку такой же ток, что задан на T1. Небольшими базовыми токами можно пренебречь. Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что её диапазон устойчивости по напряжению Ukk за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе.Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток Iпр с помощью резистора . В связи с тем что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды. Падения напряжения на которых мало по сравнению с Ukk, резистор 14,4 кОм формирует управляющий, а следовательно и выходной ток величиной 1 мА. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда:

1. под рукой есть много согласованных транзисторов
2. разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.

Существуют даже безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задаётся с помощью внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора T1, напряжение Uвэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией.Практически ток может изменяться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы.Если же нужен более высококачественный источник тока(чаще всего таких требований не возникает), то подойдёт схема , показанная на рисунке. Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема – гораздо лучший источник тока. Так как в ней изменения напряжения Uвэ , обусловленные изменениями напряжения Uкэ , оказывают пренебрежительно малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

Простейшее транзисторное токовое зеркало

Простейшее транзисторное токовое зеркало

Если принять напряжение на переходе база-эмиттер транзистора в качестве входной величины и ток коллектора принять за выходную величину, то транзистор будет действовать как экспоненциальный преобразователь напряжение-ток. Применив отрицательную обратную связь (просто подсоединив к базе и коллектору) транзистор может быть «обратный», и он будет действовать как противоположный логарифмический преобразователь из тока в напряжение; теперь он будет регулировать «выходное» напряжение база-эмиттер так, чтобы преодолеть «входной» ток коллектора.

Схема Уилсона

Простое токовое зеркало имеет один существенный недостаток — выходной ток в некоторых пределах меняется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление такой схемы не бесконечно. При заданном токе транзистора напряжение U_БЭ, а вместе с ним и ток коллектора, меняется в зависимости от коллекторного напряжения.

На рисунке приведена схема токового зеркала Уилсона. Эта схема избавлена от описанного выше недостатка и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора фиксирован и не влияет на выходной ток.

Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока

Схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий - в случае использования транзистора n-p-n типа будет предаваться в несколько нагрузок. О том, как эта идея воплощается в жизнь, даёт представленная на рисунке схема. Отметим, что если один из транзисторов – источников тока переходит в режим насыщения ( в том случае, например, когда отключается его нагрузка), то база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех его транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить если включить в схему ещё один транзистор. На рисунке представлены два варианта многовыходного токового зеркала. Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляющий ток. При разработке токовых зеркал в интегральных схемах коэффициенты отражения тока задают путём выбора размеров (площадей) эмиттерных переходов . Ещё один способ получения выходного тока, кратного управляющему состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора. Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса – Молла , разность напряжения U_БЭ зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисторов отношение коллекторных токов равно отношению плотностей токов. График позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случаеи полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.

Смотри также

• Операционный усилитель 741

Литература

• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993.—413 с., ил. ISBN 5-03-002337-2.

Ссылки