Чем эта схема с диодом отличается от стандартной схемы токового зеркала или она будет работать так же? [дубликат]

В первой схеме не используется обратная связь или попытка согласования (точное счисление) для отслеживания тока диода в биполярном транзисторе. Однако очень маловероятно, что p-n-переход диода легирован так же, как переход база-эмиттер BJT транзистора, с которым вы пытаетесь согласовать ток. Таким образом, любые изменения между ними приведут к пропорционально разным токам. Если они будут греться по-разному, разница в токе будет еще больше.

Вторая схема компенсирует несоответствие между диодом и переходом BJT за счет использования резистора 100 Ом в схеме эмиттерной дегенерации. Если ток в BE-переходе больше, чем в диоде при заданном прямом напряжении, то падение напряжения на R4 будет больше, чем на R3. Это приводит к меньшему падению последовательного напряжения на переходе BJT be и уменьшает более высокий ток BJT, чтобы он был ближе к току диода.

Дегенерация эмиттера - это форма обратной связи, которая уменьшает колебания тока из-за несоответствия из-за изменений процесса или просто из-за разных производственных условий. Поскольку ток перехода экспоненциально связан с напряжением на нем, небольшое расхождение в прямом напряжении может привести к пропорционально большим изменениям тока. При добавлении эмиттерного/диодного резистора экспоненциальная характеристика немного смягчается, что помогает выдерживать несоответствие ч/б двух устройств. Это также увеличивает выходное сопротивление, что очень желательно в токовом зеркале.

В третьей схеме используется как схема дегенерации эмиттера средней схемы, так и фактическое согласование биполярного транзистора. Это даст вам самое близкое зеркало тока, поскольку биполярные транзисторы будут работать более похоже друг на друга, чем диод.

Я повторил три примера в схеме ниже. Прежде чем я начну с небольшого анализа первой схемы в примере 1, я хотел бы напомнить, как работает текущее зеркало. Просто чтобы попасть на ту же страницу. Это самая правая основная схема зеркала :

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

В этом случае,$R_1$устанавливает ток, который будет испытывать НАГРУЗКА.$Q_a$Коллектор связан с его базой и, следовательно, находится примерно на одном диоде над землей. Если$+V$питания достаточно велико, то ток в$Q_a$коллекционер будет$I_{C_a}= \frac{V-V_{BE}}{R_1}\approx \frac{V}{R_1}$. (В обоих случаях будет некоторый базовый ток.$Q_a$и$Q_b$, однако, который вычитает из тока коллектора в$Q_a$.) Этот ток коллектора может поддерживаться, только если$V_{BE}\approx\frac{n\cdot k\cdot T}{q}\cdot ln\left(\frac{I_{C_a}}{I_S}\right)$. Так$R_1$достаточно подтягивается к основанию, чтобы достичь этого. Это базовое напряжение (относительно земли) затем управляет базой$Q_b$той же величине, которая по тому же принципу (а именно,$I_{C_b} = I_S\cdot\left(e^{\frac{q\cdot V_{BE}}{n\cdot k\cdot T}}-1\right)$.) Таким образом, нагрузка будет испытывать ток, очень похожий на то, что установлено$R_1$.

Одна из приятных характеристик этого современного зеркала заключается в том, что если два биполярных транзистора выполнены по одному и тому же процессу, на одном кристалле и в одном корпусе, они, вероятно, будут иметь очень похожие рабочие параметры и иметь почти одинаковую температуру. С$V_{BE}$сильно зависит от температуры (и не по причинам, очевидным из уже показанных уравнений, несмотря на наличие$T$в них), их термическая связь очень полезна.

Одной из проблем с основным зеркалом является то, что называется ранним эффектом, который влияет на поведение тока коллектора в зависимости от напряжения$V_{CE}$. $V_{CE}$из$Q_a$почти постоянно. Однако в зависимости от того, как ведет себя сама нагрузка,$V_{CE}$из$Q_b$может быть совсем другим. Таким образом, существуют улучшенные современные зеркала (такие как Wilson), которые решают эту проблему. Я считаю, что здесь это выходит за рамки.

Еще раз обратите внимание на тот факт, что$Q_a$в основном зеркало подключено по диоду . И обратите внимание, что современные зеркала действительно не часто делаются дискретными. Вместо этого пары BJT, такие как, например, в BCV62, используются, если проектирование должно выполняться дискретно. Однако современные зеркала можно найти повсюду в конструкциях интегральных схем.

Я собираюсь выкинуть здесь два ключевых уравнения (об одном я упомянул выше). Это важные уравнения, которые вскоре появятся:

$$\begin{align*} \text{(1)}&& I_{\left(V,T\right)} &= I_{S\left(T\right)}\cdot\left[e^{\frac{V}{n\cdot V_T}}-1\right],\;\;\; where\; V_T=\frac{k\cdot T}{q} \\ \text{(2)}&& I_{S\left(T\right)}&=I_{S\left(T_C\right)}\cdot\left[\frac{T}{T_C}\right]^3\cdot e^{\left(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_C}\right)\cdot\frac{-E_g\:\cdot\:q}{k}}\end{align*}$$

$V_T$известно как тепловое напряжение (основная физика здесь) и составляет около$26mV$при комнатной температуре.$n$- коэффициент эмиссии, и он появится довольно скоро, ниже. С BJT со слабым сигналом обычно можно с уверенностью предположить, что это$n=1$.$I_{S\left(T\right)}$- ток насыщения модели. Это тоже всплывет.$E_g$- эффективная энергетическая щель и еще один параметр модели, имеющий некоторую скромную связь с физической реальностью.$k$– постоянная Больцмана.$q$есть заряд электрона.$I_{S\left(T_C\right)}$- ток насыщения при некоторой температуре калибровки,$T_C$. [Примечание: мощность$3$в уравнении (2) является еще одним параметром модели и может несколько отличаться от 3.]

Первое из двух приведенных выше уравнений может быть решено для$V$примерно как следующее уравнение (член -1 забыт для этого):

$$V = n\cdot V_T \cdot ln\left(\frac{I_{\left(V,T\right)}}{I_{S\left(T\right)}}\right)$$

Теперь, после этого, давайте посмотрим на пример 1. Здесь кто-то просто решил взять простое зеркало и вместо того, чтобы тратить усилия на использование биполярного транзистора с диодом, они просто решили воткнуть туда диод. Почему нет?

Ну, есть много веских причин.

Один из них заключается в том, что при этом весьма вероятно, что$Q_1$коллектор будет подавать гораздо меньший ток, чем предполагается при использовании$R_1$в этой цепи. Почему? Поскольку ток коллектора в$Q_1$будет связано с током диода следующим образом (просто немного скромной алгебры, чтобы понять это):

$$I_{C\left(Q_1\right)} = I_{S\left(Q_1\right)}\cdot\left[\frac{I_{\left(D_1\right)}}{I_{S\left(D_1\right)}}\right]^{\left(\cfrac{n_{D_1}}{n_{Q_1}}\right)}$$

Итак, давайте сделаем пример. Давайте установим$R_1$так что$I_{\left(D_1\right)}=1mA$. Наш диод будет 1N4148 и$Q_1$будет 2N3904. Так$n_{D_1}=1.752$,$n_{Q_1}=1$,$I_{S\left(Q_1\right)}=10fA$,$I_{S\left(D_1\right)}=2.52nA$. Отсюда мы можем вычислить, что$I_{C\left(Q_1\right)}\approx 65\mu A$. Это даже близко не ток диода!

(В приведенном выше расчете не учитывается ранний эффект, который может иметь значительное влияние.)

Другая проблема связана с потерей того факта, что обе пары в базовом зеркале являются аналогичными устройствами и будут иметь очень похожие изменения в$V_{BE}$относительно изменения температуры. Уравнение (1) выше может означать, что$V_{BE}$будет иметь положительный темп. Но уравнение (2) значительно перевешивает это, так что BJT фактически изменит свое значение.$V_{BE}$где-то между$-1.8\frac{mV}{^{\circ}C}$к$-2.4\frac{mV}{^{\circ}C}$. (Отрицательный темп.) Но в примере 1 темп между диодом и биполярным транзистором почти наверняка будет совершенно другим. И поэтому ток коллектора больше не является стабильным по отношению к колебаниям температуры. Даже если диод и BJT термически связаны, хорошо. Вы теряете очень важное преимущество.

(На самом деле, если вы хотите получить изменение температуры, вы можете сделать это. И на самом деле, что-то подобное делается для опорных напряжений запрещенной зоны — хотя они обычно используют два биполярных транзистора с разной плотностью тока для получения положительного изменения. с температурой как разницей между их поведением, а затем добавить это к исходному отрицательному темпу, чтобы нейтрализовать изменение температуры при поддержании фиксированного напряжения [часто около$1.2V$.])

Так что пример 1 действительно не так хорош.

В примере 2 с обеих сторон добавлены два резистора. Основная идея здесь заключается в том, что добавление этих резисторов приблизит ток коллектора к току диода, потому что относительная разница в напряжениях будет уменьшена. Вы можете легко увидеть это по тому факту, что если диод управляется$1mA$, то он поднимет базовое напряжение$Q_1$к$R_a\cdot 1mA$. Но если ток коллектора в$Q_1$остался в этом мизерном$65\mu A$Я упоминал ранее, затем падение через$R_b$будет почти ничего. И это растянет$V_{BE}$из$Q_1$, что вызовет более высокий ток коллектора. Это может иметь большое значение. С этими$100\Omega$примеры в$1mA$, это может увеличить ток коллектора в несколько раз.$5-8\times$, делая вещи намного ближе. Еще один меньший выигрыш здесь заключается в том, что падение напряжения на этих резисторах имеет тенденцию затмевать изменение темпа на$D_1$и на$V_{BE}$из$Q_1$, так что там тоже будет меньше беспокойства. Но основная причина заключается в том, чтобы привести ток коллектора в соответствие с током диода.

Это все еще какое-то дерьмо. Но если вы строите вещи дискретно, не заботясь о сопоставлении частей и не используя парные текущие зеркальные части BJT, то, возможно, это не имеет большого значения, и вы можете обойтись этим исправлением.

В примере 3 показано, как немного улучшить базовое зеркало. Если бы использовалась пара зеркал BCV62,$R_a$и$R_b$будет меньше о согласовании токов коллектора и, возможно, немного больше об улучшении отклика темпко. Но с дискретной конструкцией он охватывает все основы и позволяет работать достаточно хорошо без необходимости ручной сортировки деталей.

Если вы собираетесь построить дискретное токовое зеркало и не собираетесь использовать специализированные детали, такие как PNP-пара BCV62, которая довольно дешева [намного дешевле, чем, скажем, MAT01] и предназначена для этой цели, то это будет хорошей идеей. включить эмиттерные резисторы и потерять немного запаса по преимуществам, которые они дают.