- Mejora del circuito de espejo de corriente básico
- Circuito de espejo actual de Wilson
- Ventajas y limitaciones de la técnica del espejo actual de Wilson
- Ejemplo práctico del circuito de espejo de corriente de Wilson
- Técnica del espejo de corriente de Widlar
- Análisis y derivación de la impedancia de salida para el circuito de espejo de corriente Widlar
En el artículo anterior, discutimos sobre Current Mirror Circuit y cómo se puede construir usando Transistor y MOSFET. A pesar de que el circuito de espejo de corriente básico se puede construir usando dos componentes activos simples, BJT y MOSFET o usando un circuito amplificador, la salida no es perfecta, además de tener ciertas limitaciones y dependencias de las cosas externas. Entonces, para obtener una salida estable, se utilizan técnicas adicionales en los circuitos espejo actuales.
Mejora del circuito de espejo de corriente básico
Hay varias opciones para mejorar la salida del circuito de espejo actual. En una de las soluciones se agregan uno o dos transistores sobre el diseño tradicional de dos transistores. La construcción de esos circuitos utiliza una configuración de seguidor de emisor para superar el desajuste de corriente de base de los transistores. El diseño puede tener un tipo diferente de estructura de circuito para equilibrar la impedancia de salida.
Hay tres métricas principales para analizar el rendimiento actual del espejo como parte de un circuito grande.
1. La primera métrica es la cantidad de error estático. Es la diferencia entre las corrientes de entrada y salida. Es una tarea difícil minimizar la diferencia, ya que la diferencia de la conversión de salida diferencial de un solo extremo con la ganancia del amplificador diferencial es responsable de controlar la relación de rechazo del modo común y la fuente de alimentación.
2. La siguiente métrica más importante es la impedancia de salida de la fuente de corriente o la conductancia de salida. Es crucial porque vuelve a afectar a la etapa mientras la fuente de corriente actúa como una carga activa. También afecta la ganancia del modo común en diferentes situaciones.
3. Para el funcionamiento estable de los circuitos de espejo de corriente, la última métrica importante son los voltajes mínimos que provienen de la conexión del riel de alimentación ubicada entre los terminales de entrada y salida.
Entonces, para mejorar la salida del circuito de espejo de corriente básico, considerando todas las métricas de rendimiento anteriores, aquí discutiremos las técnicas de espejo de corriente populares: circuito de espejo de corriente de Wilson y circuito de fuente de corriente de Widlar.
Circuito de espejo actual de Wilson
Todo comenzó con un desafío entre dos ingenieros, George R. Wilson y Barrie Gilbert, para hacer un circuito de espejos de corriente mejorado durante la noche. No hace falta decir que George R. Wilson ganó el desafío en 1967. Desde el nombre de George R. Wilson, el circuito de espejo actual mejorado diseñado por él se llama Wilson Current Mirror Circuit.
El circuito de espejo de corriente de Wilson utiliza tres dispositivos activos que aceptan la corriente a través de su entrada y proporcionan la copia exacta o copia reflejada de la corriente a su salida.
En el circuito de espejo actual de Wilson anterior, hay tres componentes activos que son BJT y una sola resistencia R1.
Aquí se hacen dos suposiciones: una es que todos los transistores tienen la misma ganancia de corriente que es y la segunda es que las corrientes de colector de T1 y T2 son iguales, ya que T1 y T2 están emparejados y el mismo transistor. Por lo tanto
Yo C1 = Yo C2 = Yo C
Y esto también se aplica a la corriente base, Yo B1 = Yo B2 = Yo B
La corriente base del transistor T3 se puede calcular fácilmente mediante la ganancia de corriente, que es
Yo B3 = Yo C3 / β… (1)
Y la corriente del emisor del T3 será
Yo B3 = ((β + 1) / β) Yo C3 … (2)
Si miramos el esquema anterior, la corriente a través del emisor T3 es la suma de la corriente del colector de T2 y las corrientes de base de T1 y T2. Por lo tanto, Yo E3 = Yo C2 + Yo B1 + Yo B2
Ahora, como se discutió anteriormente, esto se puede evaluar más a fondo como
Yo E3 = Yo C + Yo B + Yo B Yo E3 = Yo C + 2I B
Por lo tanto, Yo E3 = (1+ (2 / β)) Yo C
El I E3 se puede cambiar según (2)
((β + 1) / β)) Yo C3 = (1+ (2 / β)) Yo C
La corriente del colector se puede escribir como, Yo C = ((1+ β) / (β + 2)) Yo C3 … (3)
De nuevo, según el esquema, la corriente a través
La ecuación anterior puede establecer una relación entre la corriente de los colectores del tercer transistor con la resistencia de entrada. ¿Cómo? Si 2 / (β (β + 2)) << 1 entonces I C3 ≈ I R1. La corriente de salida también se puede calcular fácilmente si el voltaje base-emisor de los transistores es inferior a 1V.
Yo C3 ≈ Yo R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Entonces, para la corriente de salida adecuada y estable, R 1 y V 1 deben estar en los valores adecuados. Para que el circuito actúe como una fuente de corriente constante, el R1 debe reemplazarse por una fuente de corriente constante.
Mejora del circuito del espejo de corriente de Wilson
El circuito de espejo de corriente de Wilson se puede mejorar aún más para obtener una precisión perfecta agregando otro transistor.
El circuito anterior es la versión mejorada del circuito de espejo actual de Wilson. El cuarto transistor T4 se agrega al circuito. El transistor adicional T4 equilibra el voltaje del colector de T1 y T2. El voltaje del colector de T1 se estabiliza en una cantidad igual al V BE4. Esto resulta en finito
Ventajas y limitaciones de la técnica del espejo actual de Wilson
El circuito de espejo actual tiene varias ventajas en comparación con el circuito de espejo de corriente básico tradicional:
- En el caso de un circuito de espejo de corriente básico, la falta de coincidencia de corriente de base es un problema común. Sin embargo, este circuito de espejo de corriente de Wilson prácticamente elimina el error de equilibrio de corriente base. Debido a esto, la corriente de salida es casi precisa a partir de la corriente de entrada. No solo esto, el circuito emplea una impedancia de salida muy alta debido a la retroalimentación negativa a través del T1 desde la base del T3.
- El circuito de espejo de corriente de Wilson mejorado está hecho con 4 versiones de transistores, por lo que es útil para la operación a altas corrientes.
- El circuito de espejo de corriente de Wilson proporciona baja impedancia en la entrada.
- No requiere voltaje de polarización adicional y se necesitan recursos mínimos para construirlo.
Limitaciones de Wilson Current Mirror:
- Cuando el circuito de espejo de corriente de Wilson está polarizado con máxima frecuencia alta, el circuito de retroalimentación negativa causa inestabilidad en la respuesta de frecuencia.
- Tiene un voltaje de cumplimiento más alto en comparación con el circuito espejo de corriente de dos transistores básico.
- El circuito de espejo de corriente de Wilson crea ruido a través de la salida. Esto se debe a la retroalimentación que aumenta la impedancia de salida y afecta directamente la corriente del colector. La fluctuación de la corriente del colector genera ruidos en la salida.
Ejemplo práctico del circuito de espejo de corriente de Wilson
Aquí, el espejo de corriente de Wilson se simula utilizando Proteus.
Los tres componentes activos (BJT) se utilizan para hacer los circuitos. Los BJT son todos 2N2222, con las mismas especificaciones. La olla se selecciona para cambiar la corriente a través del colector Q2 que se reflejará más en el colector Q3. Para la carga de salida, se selecciona una resistencia de 10 ohmios.
Aquí está el video de simulación de Wilson Current Mirror Technique-
En el video, el voltaje programado en el colector de Q2 se refleja en el colector de Q3.
Técnica del espejo de corriente de Widlar
Otro excelente circuito de espejo de corriente es el circuito de fuente de corriente de Widlar, inventado por Bob Widlar.
El circuito es exactamente el mismo que el circuito de espejo de corriente básico que utiliza dos transistores BJT. Pero hay una modificación en el transistor de salida. El transistor de salida utiliza una resistencia de degeneración del emisor para proporcionar corrientes bajas a través de la salida utilizando solo valores de resistencia moderados.
Uno de los ejemplos de aplicaciones más populares de la fuente de corriente Widlar está en el circuito amplificador operacional uA741.
En la imagen de abajo, se muestra un circuito de fuente de corriente Widlar.
El circuito consta de solo dos transistores T1 y T2 y dos resistencias R1 y R2. El circuito es el mismo que el circuito de espejo de corriente de dos transistores sin el R2. El R2 está conectado en serie con el emisor T2 y la tierra. Esta resistencia de emisor reduce efectivamente la corriente a través del T2 en comparación con el T1. Esto se hace por la caída de voltaje a través de esta resistencia, esta caída de voltaje reduce el voltaje base-emisor del transistor de salida, lo que además resulta en una corriente de colector reducida a través del T2.
Análisis y derivación de la impedancia de salida para el circuito de espejo de corriente Widlar
Como se mencionó anteriormente, la corriente a través de T2 se reduce en comparación con la corriente T1, que se puede probar y analizar más a fondo utilizando simulaciones de Cadence Pspice. Veamos la construcción y las simulaciones del circuito Widlar en la siguiente imagen,
El circuito está construido en Cadence Pspice. En el circuito se utilizan dos transistores con la misma especificación, que es 2N2222. Las sondas de corriente muestran la gráfica actual en los colectores Q2 y Q1.
La simulación se puede ver en la imagen de abajo.
En la figura anterior, el gráfico rojo, que es la corriente del colector de Q1, se reduce en comparación con Q2.
Aplicando KVL (Ley de voltaje de Kirchhoff) a través de la unión base-emisor del circuito, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
El β 2 es para el transistor de salida. Es completamente diferente del transistor de entrada, ya que el gráfico de corriente en el gráfico de simulación muestra claramente que la corriente en dos transistores es diferente.
La fórmula final puede extraerse de la fórmula anterior si se invalida el β finito y si cambiamos I C1 como I IN y I C2 como I OUT. Por lo tanto,
Para medir la resistencia de salida de la fuente de corriente Widlar, el circuito de pequeña señal es una opción útil. La imagen de abajo es un circuito de señal pequeña equivalente para la fuente de corriente Widlar.
La corriente Ix se aplica a través del circuito para medir la resistencia de salida del circuito. Entonces, según la ley de Ohm, la resistencia de salida es
Vx / Ix
La resistencia de salida se puede determinar aplicando la ley de Kirchoff a través del suelo izquierdo al R2, es:
Nuevamente, aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff a través del suelo R2 al suelo de la corriente de entrada, V X = Yo X (R 0 + R 2) + Yo b (R 2 - βR 0)
Ahora, cambiando el valor, la ecuación final para derivar la resistencia de salida del circuito Widlar Current Mirror es
Así es como se pueden utilizar las técnicas actuales de espejo de Wilson y Widlar para mejorar los diseños del circuito básico de espejo de corriente.