Huidige Mirror BJT's

Bipolaire junctietransistor of BJT-stroomspiegel

Een veelgebruikt circuit dat de bipolaire junctietransistor toepast, is de zogenaamde stroomspiegel , die dient als een eenvoudige stroomregelaar en een bijna constante stroom levert aan een belasting over een breed scala aan belastingsweerstanden.

We weten dat in een transistor die in zijn actieve modus werkt, de collectorstroom gelijk is aan de basisstroom vermenigvuldigd met de verhouding β. We weten ook dat de verhouding tussen collectorstroom en emitterstroom wordt genoemd. Omdat de collectorstroom gelijk is aan de basisstroom vermenigvuldigd met β, en de emitterstroom de som is van de basis- en collectorstromen, moet α wiskundig afleidbaar zijn van β. Als je de algebra doet, zul je zien dat α =β/(β+1) voor elke transistor.

We hebben al gezien hoe het handhaven van een constante basisstroom door een actieve transistor resulteert in de regeling van de collectorstroom, volgens de β-verhouding. Welnu, de α-verhouding werkt op dezelfde manier:als de emitterstroom constant wordt gehouden, blijft de collectorstroom op een stabiele, gereguleerde waarde zolang de transistor voldoende collector-naar-emitter-spanningsval heeft om deze in zijn actieve modus te houden. Daarom, als we een manier hebben om een ​​emitterstroom door een transistor constant te houden, zal de transistor werken om de collectorstroom op een constante waarde te regelen.

Onthoud dat de basis-emitterovergang van een BJT niets meer is dan een PN-overgang, net als een diode, en dat de "diodevergelijking" aangeeft hoeveel stroom er door een PN-overgang zal gaan, gegeven voorwaartse spanningsval en junctietemperatuur:

Diodevergelijkingsformule

Als zowel de junctiespanning als de temperatuur constant worden gehouden, zal de PN-junctiestroom constant zijn. Volgens deze redenering, als we de basis-emitterspanning van een transistor constant zouden houden, dan zal de emitterstroom constant zijn, gegeven een constante temperatuur. Bekijk de onderstaande voorbeeldafbeelding

Constante VBE geeft constante IB, constante IE en constante IC.

Deze constante emitterstroom, vermenigvuldigd met een constante α-verhouding, geeft een constante collectorstroom door R_belasting als er voldoende batterijspanning beschikbaar is om de transistor in de actieve modus te houden voor elke verandering in R_belasting 's weerstand.

Om een ​​constante spanning over de basis-emitterovergang van de transistor te behouden, gebruikt u een voorwaarts voorgespannen diode om een ​​constante spanning van ongeveer 0,7 volt tot stand te brengen, en sluit u deze parallel aan op de basis-emitterovergang zoals in onderstaande afbeelding.

Diodeovergang 0,7 V handhaaft een constante basisspanning en een constante basisstroom.

De spanningsval over de diode zal waarschijnlijk niet precies 0,7 volt zijn. De exacte hoeveelheid voorwaartse spanning die erover valt, hangt af van de stroom door de diode en de temperatuur van de diode, allemaal in overeenstemming met de diodevergelijking. Als de diodestroom wordt verhoogd (bijvoorbeeld door de weerstand van R_bias . te verminderen ), zal de spanningsval iets toenemen, waardoor de spanningsval over de basis-emitterovergang van de transistor toeneemt, waardoor de emitterstroom met dezelfde verhouding zal toenemen, ervan uitgaande dat de PN-overgang van de diode en de basis-emitterovergang van de transistor goed op elkaar zijn afgestemd ander. Met andere woorden, de emitterstroom van de transistor zal op elk moment bijna gelijk zijn aan de diodestroom. Als u de diodestroom wijzigt door de weerstandswaarde van R_bias . te wijzigen , dan zal de emitterstroom van de transistor volgen, omdat de emitterstroom wordt beschreven door dezelfde vergelijking als die van de diode, en beide PN-overgangen ervaren dezelfde spanningsval.

Onthoud dat de collectorstroom van de transistor bijna gelijk is aan de emitterstroom, aangezien de α-verhouding van een typische transistor bijna één is (1). Als we controle hebben over de emitterstroom van de transistor door de diodestroom in te stellen met een eenvoudige weerstandsaanpassing, dan hebben we ook controle over de collectorstroom van de transistor. Met andere woorden, collectorstroom bootst na, of spiegels , diodestroom.

Stroom door weerstand R_belasting is daarom een ​​functie van de stroom die is ingesteld door de biasweerstand, waarbij de twee bijna gelijk zijn. Dit is de functie van het stroomspiegelcircuit:om de stroom door de belastingsweerstand te regelen door de waarde van R gemakkelijk aan te passen _bias . Stroom door de diode wordt beschreven door een eenvoudige vergelijking:voedingsspanning minus diodespanning (bijna een constante waarde), gedeeld door de weerstand van R_bias .

Om de kenmerken van de twee PN-overgangen (de diode-overgang en de basis-emitterovergang van de transistor) beter op elkaar af te stemmen, kan een transistor worden gebruikt in plaats van een gewone diode, zoals in het onderstaande figuur (a).

Huidige spiegelcircuits.

Omdat temperatuur een factor is in de "diodevergelijking", en we willen dat de twee PN-overgangen zich onder alle bedrijfsomstandigheden identiek gedragen, moeten we de twee transistors op exact dezelfde temperatuur houden. Dit is eenvoudig te doen met behulp van discrete componenten door de behuizingen met twee transistors rug aan rug te lijmen. Als de transistors samen op één chip van silicium worden vervaardigd (als een zogenaamde geïntegreerde schakeling , of IC ), moeten de ontwerpers de twee transistors dicht bij elkaar plaatsen om de warmteoverdracht tussen hen te vergemakkelijken.

Het huidige spiegelcircuit dat wordt weergegeven met twee NPN-transistoren in de bovenstaande figuur (a) wordt soms een stroom-sinking genoemd. type omdat de regulerende transistor de stroom van de belasting naar aarde trekt ("sinking" stroom), in plaats van deze te dwingen om van de positieve kant van de batterij naar de belasting te stromen ("sourcing" stroom). Als we een geaarde belasting willen hebben, en een stroombron spiegelcircuit, we kunnen PNP-transistoren gebruiken zoals figuur hierboven (b).

Terwijl weerstanden kunnen worden vervaardigd in IC's, is het gemakkelijker om transistors te fabriceren. IC-ontwerpers vermijden sommige weerstanden door belastingsweerstanden te vervangen door stroombronnen. Een circuit zoals een operationele versterker die is opgebouwd uit discrete componenten, heeft een paar transistors en veel weerstanden. Een versie met geïntegreerde schakelingen zal veel transistors en een paar weerstanden hebben. In onderstaande afbeelding Eén spanningsreferentie stuurt Q1 meerdere stroombronnen aan:Q2, Q3 en Q4. Als Q2 en Q3 transistoren met gelijk oppervlak zijn, worden de belastingsstromen I_laden gelijk zal zijn. Als we een 2·I_lading . nodig hebben , parallel Q2 en Q3. Het is nog beter om één transistor te fabriceren, zeg Q3 met tweemaal de oppervlakte van Q2. Huidige I3 wordt dan tweemaal I2. Met andere woorden, laad stroomschalen met het transistorgebied.

Meerdere stroomspiegels kunnen worden aangesloten op een enkele (Q1 - Rbias) spanningsbron.

Merk op dat het gebruikelijk is om de basisspanningslijn dwars door de transistorsymbolen te trekken voor meerdere stroomspiegels! Of in het geval van Q4 in de bovenstaande afbeelding zijn twee stroombronnen gekoppeld aan een enkel transistorsymbool. De belastingsweerstanden zijn bijna onzichtbaar getekend om te benadrukken dat deze in de meeste gevallen niet bestaan. De belasting is vaak een ander (meervoudig) transistorcircuit, bijvoorbeeld een paar emitters van een differentiële versterker, bijvoorbeeld Q3 en Q4 in "Een eenvoudige operationele versterker", hoofdstuk 8. Vaak is de collectorbelasting van een transistor geen weerstand maar een actuele spiegel. Bijvoorbeeld de collectorbelasting van Q4-collector, Ch 8 is een stroomspiegel (Q2).

Voor een voorbeeld van een stroomspiegel met meerdere collectoren, zie uitgangen Q13 in het model 741 op-amp, Ch 8. De Q13 stroomspiegeluitgangen vervangen weerstanden als collectorbelastingen voor Q15 en Q17. We zien uit deze voorbeelden dat stroomspiegels de voorkeur hebben als belastingen boven weerstanden in geïntegreerde schakelingen.

BEOORDELING:

• Een huidige spiegel is een transistorcircuit dat de stroom regelt via een belastingsweerstand, het regelpunt wordt ingesteld door een eenvoudige weerstandsaanpassing.
• Transistoren in een stroomspiegelcircuit moeten voor een nauwkeurige werking op dezelfde temperatuur worden gehouden. Als je discrete transistors gebruikt, kun je hiervoor de behuizingen aan elkaar lijmen.
• Huidige spiegelcircuits zijn te vinden in twee basisvarianten:de huidige zinking configuratie, waarbij de regulerende transistor de belasting met de grond verbindt; en de huidige sourcing configuratie, waarbij de regulerende transistor de belasting verbindt met de positieve pool van de DC-voeding.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Actieve belastingen in versterkercircuits werkblad
• Werkblad differentiële transistorversterkers