Strømspejl - et element i transistorkredsløb , som er en strømgenerator , styret af indgangsstrømmen, hvor indgangs- og udgangsstrømmene har forskellige retninger og en fælles udgang fra strømkilden, og forholdet mellem strømme (refleksionskoefficient) forbliver konstant over et bredt område og afhænger lidt af spænding og temperatur. Det klassiske strømspejlkredsløb indeholder to transistorer med samme ledningsevne med modstande i kollektorkredsløbene. Forholdet mellem modstandsværdierne bestemmer reflektionskoefficienten, som enten kan være mindre eller større end én (men ikke højere end strømoverførselskoefficienten for udgangstransistoren), hvis der ikke er nogen modstande, transmitteres strømmen i et forhold på 1:1.
En nødvendig betingelse for nøjagtigheden af det aktuelle spejl er en god temperaturforbindelse og konstruktiv identitet af transistorer, som let implementeres som en del af integrerede kredsløb , så nuværende spejle er meget brugt der . Ønsker man at "kopiere" én styrestrøm til flere trin (for eksempel for at indstille deres hvilestrømme), kan strømspejlet have én indgangs- og flere udgangstransistorer, der genererer flere forskellige udgangsstrømme.
Styreindgangsstrømmen [1] tilføres basen og kollektoren på den fælles-emitter-indgangstransistor, der er forbundet med hinanden. Forøgelse af spændingen på basen til et vist niveau fører til åbningen af transistoren og udseendet af dens kollektorstrøm, som tager det meste af indgangsstrømmen, begynder at forhindre en yderligere stigning i spændingen på basen.
På indgangstransistorbasen og kollektoren forbundet med hinanden er spændingen svarende til transistorens åbningstærskel således altid sat til den tilsvarende kollektorstrøm, hvilket[ hvem? ] er lig med input-drevstrømmen minus de små basisstrømme for input- og outputtransistorerne.
Spændingen indstillet af den første transistor tilføres bunden af den anden udgangstransistor, også forbundet i henhold til det fælles emitterkredsløb, som åbner lige så meget som den første transistor er åben, og skaber en udgangsstrøm i dens kollektorkredsløb svarende til til indgangstransistorens kollektorstrøm. Da strømoverførselskoefficienten for de fleste moderne transistorer er meget mere end 100, og basisstrømmene i alt ikke udgør mere end 1/50 af indgangsstrømmen, kan det argumenteres, at strømspejlets udgangsstrøm svarer til inputstrømmen strøm med en nøjagtighed på højst 2 % [2] . Der kan være flere udgangstransistorer, og hver af dem vil være en strømkilde lig med indgangsstrømmen minus den samlede strøm af baserne for alle transistorer, som i denne udførelsesform vil være større end den samlede basisstrøm i en lignende to-transistor kredsløb.
En måde at opnå et ikke-enhedsstrømforhold på er at inkludere modstande i hver transistors emitterkredsløb. På de medfølgende modstande skaber de strømmende strømme yderligere spændingsfald (normalt ikke mere end 0,5 V), som ændrer strømbalancen. Forholdet mellem strømme i dette tilfælde vil være omtrent omvendt proportionalt med forholdet mellem modstande. Modstande forbedrer også kredsløbets termiske stabilitet og linearitet, men reducerer driftsspændingsområdet noget. Hvis meget høj transmissionsnøjagtighed er påkrævet, anvendes sofistikerede strømspejlkredsløb, der anvender flere transistorer. Hvis kravene til nøjagtighed er lave, kan indgangstransistoren erstattes af en fremadrettet halvlederdiode, og overførselskoefficienten vælges ved den obligatoriske medtagelse af modstande i begge grene af kredsløbet.
Da spændingen af pn-forbindelsen afhænger af temperatur, vil opvarmning eller afkøling af en af transistorerne i det aktuelle spejlkredsløb påvirke overførselskoefficienten, og brugen af transistorer af forskellige typer og endda batcher vil forringe lineariteten. For at udelukke sådanne fænomener bruges valget af transistorer, og termisk kontakt er tilvejebragt mellem dem, til høje krav bruges en speciel samling af to transistorer, for eksempel K159NT1, og ujævn opvarmning af krystallen tages i betragtning i topologien af mikrokredsløb . Af samme grund giver strømspejlet kun høj nøjagtighed ved lave spændinger og strømme, da opvarmningen af udgangstransistorkrystallen på grund af høj effekttab er svær at kompensere.
Der er tre hovedkarakteristika, der kendetegner et strømspejl. Den første af disse er forstærkningen (i tilfælde af en operationsforstærker) eller størrelsen af udgangsstrømmen (i tilfælde af en konstant kildestrøm). Den anden er dens AC-udgangsmodstand, som bestemmer, hvor meget udgangsstrømmen varierer med den spænding, der påføres spejlet. Den tredje egenskab er det mindste spændingsfald, der kræves ved udgangen af spejlet for at få det til at fungere korrekt. Denne minimumsspænding er dikteret af behovet for at holde spejludgangstransistoren aktiv. Spændingsområdet, som spejlet fungerer over, kaldes compliance-området, og spændingen, der ligger på skillelinjen mellem god og dårlig opførsel, kaldes spændingsområdet. Der er også en række mindre problemer i forbindelse med arbejde med spejle, såsom temperaturstabilitet.
Til analyse i lille signaltilstand kan strømspejlet tilnærmes ved dets tilsvarende Norton-modstand.
Til hurtig analyse i storsignaltilstand erstattes strømspejlet normalt blot med en ideel strømkilde. Den ideelle strømkilde er dog ikke ækvivalent i flere henseender:
En bipolær transistor kan bruges som en simpel strømkonverter, men dens overførselskoefficient er meget afhængig af temperaturudsving, modstand mod betastråling osv. For at eliminere disse uønskede interferenser består strømspejlet af to kaskadekoblede strøm-spænding og "spænding - strøm "af omformere, der er placeret under de samme betingelser og har omvendte karakteristika. De behøver ikke at være lineære, det eneste krav er, at de er "spekulære" (for eksempel i transistorstrømspejlet nedenfor er de logaritmiske og eksponentielle). Som regel bruges to identiske omformere, hvoraf den ene er inverteret ved hjælp af negativ feedback. Det nuværende spejl består således af to kaskadede identiske omformere (den første er omvendt, og den anden er direkte).
Driften af strømspejlet "programmeres" ved at indstille kollektorstrømmen for transistoren Q1. Spændingen U BE for Q1 indstilles i overensstemmelse med den givne strøm, omgivelsestemperatur og transistortype. Som et resultat er kredsløbstilstanden indstillet, og transistoren Q2, matchet med transistoren Q1 (det er bedst at bruge en monolitisk dobbelttransistor), overfører den samme strøm til belastningen, som er indstillet på Q1. Små basisstrømme kan negligeres.
En af fordelene ved det beskrevne kredsløb er, at dets spændingsstabilitetsområde er Ukk minus nogle få tiendedele volt, da der ikke er noget spændingsfald over emittermodstanden. Derudover er det i mange tilfælde praktisk at indstille strømmen ved hjælp af strømmen. Den nemmeste måde at få styrestrømmen Ipr ved hjælp af en modstand. På grund af det faktum, at transistorernes emitterforbindelser er dioder, hvor spændingsfaldet over er lille i forhold til Ukk, danner 14,4 kΩ modstanden en kontrol, og dermed en udgangsstrøm på 1 mA. Strømspejle kan bruges, når der er behov for en strømkilde i et transistorkredsløb. De er meget udbredt i design af integrerede kredsløb, når:
Der er endda modstandsløse integrerede operationsforstærkere, hvor hele forstærkerens driftsstrøm indstilles ved hjælp af en ekstern modstand, og strømmene af individuelle interne forstærkningstrin dannes ved hjælp af strømspejle. Sådanne forstærkere kaldes henholdsvis programmerbare.
Et simpelt strømspejl har en ulempe: udgangsstrømmen ændres noget med udgangsspændingen, det vil sige, at kredsløbets udgangsmodstand ikke er uendelig. Dette skyldes det faktum, at ved en given strøm af transistoren T1 ændres spændingen UBE en smule afhængigt af kollektorspændingen (manifestation af Earley-effekten ); med andre ord, plottet af kollektorstrøm versus spænding mellem solfanger og emitter ved en fast spænding mellem base og emitter er ikke en vandret linje. I praksis kan strømmen variere med ca. 25 % over kredsløbets stabile driftsområde. Hvis du har brug for en strømkilde af højere kvalitet (oftest opstår sådanne krav ikke), så vil kredsløbet vist i figuren gøre det. Emittermodstandene er valgt på en sådan måde, at spændingsfaldet over dem er nogle få tiendedele volt. Sådan et kredsløb er en meget bedre strømkilde, fordi. i den har spændingsændringer U BE på grund af ændringer i spænding U KE en ubetydelig lille effekt på udgangsstrømmen. Matchede transistorer bør også bruges i dette kredsløb.
Hvis vi tager spændingen ved transistorens base-emitter-forbindelse som input og kollektorstrømmen som udgang, så vil transistoren fungere som en eksponentiel spænding-til-strøm-konverter. Ved at anvende negativ feedback (simpelthen ved at forbinde Q1's base til dens kollektor) kan transistoren "inverteres", og den vil fungere som en invers logaritmisk (eksponentiel) strøm-til-spænding konverter; den vil nu justere base-emitter (Q2) "output" spænding for at "kopiere" kollektorindgangsstrømmen fra Q1 til kollektoren af Q2.
Et simpelt strømspejl har en væsentlig ulempe - udgangsstrømmen ændres inden for visse grænser, når udgangsspændingen ændres, det vil sige, at udgangsmodstanden for et sådant kredsløb ikke er uendelig. Ved en given transistorstrøm varierer spændingen UBE og dermed kollektorstrømmen afhængig af kollektorspændingen.
Dette kredsløb overvinder den ovenfor beskrevne ulempe og giver en høj grad af konstant udgangsstrøm. Transistorer T1 og T2 i dette kredsløb er forbundet på samme måde som i et konventionelt strømspejl, men takket være transistor T3 er T2's kollektorpotentiale fast og påvirker ikke udgangsstrømmen.
Strømspejlkredsløbet kan bygges på en sådan måde, at den udgående udgangsstrøm (eller indstrømmende - ved brug af en transistor af npn-type vil blive transmitteret til flere belastninger. Kredsløbet vist på figuren viser, hvordan denne idé implementeres. Bemærk at hvis en af transistorerne - strømkilden går i mætningstilstand (i tilfældet, for eksempel når dens belastning er slukket), så vil basen tage en øget strøm fra den fælles linje, der forbinder baserne på alle dens transistorer, og i forbindelse hermed vil de resterende udgangsstrømme falde.Situationen kan forbedres, hvis der tilføjes en anden transistor til kredsløbet.
Figuren viser to varianter af et multi-output strømspejl. Disse kredsløb afspejler dobbelt (eller halv) drivstrøm. Ved udvikling af strømspejle i integrerede kredsløb indstilles strømreflektionskoefficienterne ved at vælge størrelserne (arealerne) af emitterforbindelserne.
En anden måde at opnå en udgangsstrøm, der er et multiplum af styrestrømmen, er at inkludere en ekstra modstand i udgangstransistorens emitterkredsløb. Hvis kredsløbet fungerer med strømme med forskellige tætheder, afhænger spændingsforskellen U BE ifølge Ebers-Moll-ligningen kun af forholdet mellem strømtætheder. For matchede transistorer er forholdet mellem kollektorstrømme lig med forholdet mellem strømtætheder. Grafen giver dig mulighed for at bestemme spændingsforskellen mellem basen og emitteren i et sådant tilfælde og er nyttig i designet af strømspejle med ikke-singular refleksion.
Tabellen viser typiske eksempler på strømspejlkredsløb baseret på bipolære transistorer og deres tilsvarende MOS- kredsløb. Modstande i et bipolært strømspejl er valgfrit og er noget usædvanligt i MOS-teknologi.[ hvad? ] Hovedkriterierne for at vælge et strømspejlkredsløb er minimumsforsyningsspænding, udgangsimpedans og nøjagtighedskrav.
| Simpelt strømspejl | Tre-transistor strømspejl |
Cascode nuværende spejl | Wilson nuværende spejl | |
|---|---|---|---|---|
| på bipolære transistorer | ||||
| På MOS- teknologi |