Stroomspiegels in Bipolaire Transistorschakelingen Begrijpen

Bipolaire Transistor of BJT Stroomspiegel

Een stroomspiegel is een van de meest gebruikte BJT-schakelingen. Het fungeert als een eenvoudige, betrouwbare stroomregelaar, die een vrijwel constante stroom door een last handhaaft over een breed bereik van lastweerstanden.

In actieve modus is de collectorstroom (I_C) gelijk aan de basisstroom (I_B) vermenigvuldigd met de stroomversterking van de transistor, β. De verhouding van collector- tot emitterstroom is α, wat afgeleid kan worden uit β als α = β/(β+1). Deze relatie toont aan dat, net zoals een vaste basisstroom I_C vastlegt, een vaste emitterstroom I_C zal vastleggen zolang de transistor in zijn actieve regio blijft.

De basis-emitter overgang van een BJT gedraagt zich als een PN-diode. De bekende diodvergelijking voorspelt de overgangsstroom voor een gegeven voorwaartsspanning en temperatuur:

Diodvergelijking Formule

Als de voorwaartsspanning en temperatuur constant gehouden worden, is de PN-overgangsstroom constant. Daardoor dwingt het handhaven van een constante basis-emitterspanning (V_BE) de emitterstroom (I_E) en daarmee de collectorstroom (I_C) constant te blijven, mits de transistor voldoende V_CE heeft om in actieve modus te blijven.

Om V_BE stabiel te houden, wordt een voorwaarts-gebiaseerde diode parallel met de basis-emitter overgang geplaatst, zoals getoond:

De diode vestigt een benaderende 0,7-V val, wat de basisspanning – en dus de basis-, emitter- en collectorstromen – stabiel houdt. De actuele spanning zal licht variëren met stroom en temperatuur, maar zowel de diode als de basis-emitter overgang van de transistor delen dezelfde PN-overgangsfysica, dus de emitterstroom volgt de diodestroom nauwkeurig. Het aanpassen van de biasweerstand (R_bias) verandert de diodestroom, wat direct de emitter- en collectorstromen instelt.

Omdat α voor een typische BJT dicht bij eenheid ligt, spegelt de collectorstroom essential de diodestroom. De laststroom door R_load wordt dus ingesteld door de biasweerstand, wat de stroomspiegel een handige manier maakt om laststroom te regelen met een enkele weerstand.

Voor nauwkeurigere matching van de twee PN-overgangen kan een tweede transistor de diode vervangen, wat een paar gematchte transistoren in een stroomspiegelconfiguratie oplevert:

Temperatuurmatching is cruciaal omdat de diodvergelijking temperatuurafhankelijk is. Discrete componenten kunnen achteraan aan elkaar gelijmd worden, geïntegreerde schakelingen plaatsen de gematchde transistoren meestal dicht bij elkaar om gelijke verwarming te garanderen.

De topologie getoond met twee NPN-transistoren (Fig. a) is een stroom-zinkende spiegel: de regelende transistor trekt stroom van de last naar de grond. Als een gegronde last vereist is, kan een stroom-bronnende spiegel met PNP-transistoren (Fig. b) worden gebruikt.

In IC-ontwerp worden weerstanden vaak vervangen door transistor-gebaseerde stroombronnen. Een enkele spanningsreferentie kan meerdere stroomspiegels aansturen: Q2, Q3 en Q4 delen dezelfde referentiestroom, en hun laststromen schalen met transistoroppervlakte. Een transistor met twee keer de oppervlakte levert bijvoorbeeld twee keer de stroom, wat de noodzaak voor parallelle weerstanden elimineert.

Stroomspiegels worden vaak gebruikt als lastapparaten in geïntegreerde versterkers. In de 741 op-amp vervangt Q13's spiegel bijvoorbeeld de weerstandslast van Q15 en Q17, wat demonstreert hoe spiegels weerstanden in high-density IC's vervangen.

SAMENVATTING:

• Een stroomspiegel is een transistorschakeling die de laststroom vastlegt via een eenvoudige biasweerstand.
• Nauwkeurige werking vereist dat de transistoren dezelfde temperatuur delen; discrete onderdelen kunnen aan elkaar gelijmd worden, terwijl IC's ze in nabijheid plaatsen.
• Stroomspiegels komen in twee basiskonfiguraties: stroom-zinkend (NPN) en stroom-bronnend (PNP).

GERELATEERDE WERKBLADEN:

• Actieve Lasten in Versterkerschakelingen Werkblad
• Differentiele Transistorversterkers Werkblad