מעגל מראה הנוכחי: טכניקות שיקוף נוכחיות של וילסון ווידאר

במאמר הקודם דנו אודות מעגל מראה הנוכחי וכיצד ניתן לבנות אותו באמצעות טרנזיסטור ו- MOSFET. למרות העובדה שניתן לבנות את מעגל המראה הנוכחי הבסיסי באמצעות שני רכיבים פעילים פשוטים, BJT ו- MOSFET או באמצעות מעגל מגבר, הפלט אינו מושלם, כמו כן יש לו מגבלות ותלות מסוימות בדברים החיצוניים. אז כדי להשיג תפוקה יציבה, משתמשים בטכניקות נוספות במעגלי הראי הנוכחיים.

שיפור מעגל המראה הנוכחי הבסיסי

ישנן מספר אפשרויות לשיפור תפוקת מעגל המראה הנוכחי. באחד הפתרונות מתווסף טרנזיסטור אחד או שניים על פני העיצוב המסורתי של שני הטרנזיסטורים. בניית אותם מעגלים משתמשת בתצורת עוקבים פולטת כדי להתגבר על חוסר ההתאמה הנוכחי של הטרנזיסטורים. לתכנון יכול להיות סוג אחר של מבנה מעגלים כדי לאזן את עכבת הפלט.

ישנם שלושה מדדים עיקריים לניתוח ביצועי המראה הנוכחיים כחלק ממעגל גדול.

1. המדד הראשון הוא כמות השגיאות הסטטיות. זה ההבדל בין זרמי קלט ופלט. זוהי משימה קשה למזער את ההבדל מכיוון שההפרש של המרת פלט חד-פעמית דיפרנציאלית עם רווח המגבר הדיפרנציאלי אחראי לשלוט ביחס הדחייה של מצב משותף ואספקת חשמל.

2. המטר החיוני ביותר הבא הוא העכבה מוצאת מקור הנוכחית או מוליכות הפלט. זה קריטי מכיוון שהוא משפיע שוב על הבמה בזמן שהמקור הנוכחי מתנהג כמו עומס פעיל. זה משפיע גם על רווח המצב הנפוץ במצבים שונים.

3. להפעלה יציבה של מעגלי מראה הנוכחי, המדד החשוב האחרון הוא המתחים המינימליים המגיעים מחיבור מסילת הכוח הממוקמים על גבי מסופי הכניסה והפלט.

לכן, כדי לשפר את התפוקה של מעגל המראה הנוכחי הבסיסי, בהתחשב בכל מדדי הביצועים הנ"ל, כאן נדון בטכניקות המראה הנוכחיות הפופולריות - ווילסון מעגל המראה הנוכחי ומעגל המקור הנוכחי של Widlar.

מעגל המראה הנוכחי של וילסון

הכל התחיל באתגר בין שני מהנדסים, ג'ורג 'ר. ווילסון ובארי גילברט, ליצור לילה מעגל מראה משופר. מיותר לציין שג'ורג 'ר. ווילסון ניצח את האתגר בשנת 1967. משמו של ג'ורג' ר. ווילסון, מעגל המראות הנוכחי המשופר שתוכנן על ידו נקרא וילסון זרם מראה.

מעגל המראה הנוכחי של וילסון משתמש בשלושה מכשירים פעילים שמקבלים את הזרם על פני הקלט שלו ומספקים את העותק המדויק או את העותק המראה של הזרם לפלט שלו.

מעל למעגל המראה הנוכחי של וילסון, ישנם שלושה רכיבים פעילים שהם BJT ונגד יחיד R1.

נעשות כאן שתי הנחות - האחת היא שלכל הטרנזיסטורים יש אותו רווח זרם שהוא והשני הוא שזרמי הקולט של T1 ו- T2 שווים, מכיוון ש- T1 ו- T2 מותאמים ואותו טרנזיסטור. לָכֵן

I _C1 = I _C2 = I _C

וזה חל גם על זרם הבסיס, I _B1 = I _B2 = I _B

ניתן לחשב את זרם הבסיס של הטרנזיסטור T3 בקלות על ידי הרווח הנוכחי, כלומר

I _B3 = I _C3 / β… (1)

והזרם הפולט של ה- T3 יהיה

I _B3 = ((β + 1) / β) I _C3… (2)

אם נתבונן בתרשים הנ"ל, הזרם על פני פולט ה- T3 הוא סכום זרם האספן של T2 וזרמי הבסיס של T1 & T2. לָכֵן, I _E3 = I _C2 + I _B1 + I _B2

כעת, כפי שנדון לעיל, ניתן להעריך זאת עוד כ-

I _E3 = I _C + I _B + I _B I _E3 = I _C + 2I _B

לָכֵן, I _E3 = (1+ (2 / β)) I _C

ניתן לשנות את ה- I _E3 לפי (2)

((β + 1) / β)) I _C3 = (1+ (2 / β)) I _C

ניתן לכתוב את זרם האספן כ, I _C = ((1+ β) / (β + 2)) I _C3… (3)

שוב לפי הסכימה הזרם דרך

המשוואה לעיל יכולה לשרטט קשר בין אספני הטרנזיסטור השלישי הנוכחי עם נגן הקלט. אֵיך? אם 2 / (β (β + 2)) << 1 אז אני _C3 ≈ אני _R1. ניתן לחשב בקלות את זרם המוצא אם מתח הפולט הבסיסי של הטרנזיסטורים נמוך מ -1 וולט.

I _C3 ≈ I _R1 = (V ₁ - V _BE2 - V _BE3) / R ₁

לכן, עבור זרם המוצא התקין והיציב, ה- R ₁ ו- V ₁ צריכים להיות בערכים מתאימים. כדי לגרום למעגל לשמש כמקור זרם קבוע, יש להחליף את ה- R1 למקור זרם קבוע.

שיפור מעגל הראי הנוכחי של וילסון

ניתן לשפר עוד יותר את מעגל המראות הנוכחי של וילסון כדי לקבל דיוק מושלם על ידי הוספת טרנזיסטור נוסף.

המעגל הנ"ל הוא הגרסה המשופרת של מעגל המראות הנוכחי של ווילסון. הטרנזיסטור הרביעי T4 נוסף במעגל. הטרנזיסטור הנוסף T4 מאזן את מתח הקולט של T1 ו- T2. מתח הקולט של T1 מתייצב בכמות השווה ל- V _BE4. התוצאה היא סופית

וגם לייצב את הפרשי המתח בין T1 ו- T2.

יתרונות ומגבלה של טכניקת המראה הנוכחית של ווילסון

למעגל המראה הנוכחי מספר יתרונות בהשוואה למעגל המראה הנוכחי הבסיסי המסורתי-

1. במקרה של מעגל מראה זרם בסיסי, אי התאמה בין זרם הבסיס היא בעיה נפוצה. עם זאת, מעגל המראה הנוכחי של וילסון מבטל למעשה את שגיאת האיזון הנוכחי של הבסיס. בשל כך, זרם המוצא קרוב למדוייק נכון לזרם הקלט. לא רק זאת, המעגל מפעיל עכבת תפוקה גבוהה מאוד בשל המשוב השלילי על פני ה- T1 מבסיס ה- T3.
2. מעגל המראה הנוכחי של וילסון משופר מיוצר באמצעות 4 גרסאות טרנזיסטור ולכן הוא שימושי לפעולה בזרמים גבוהים.
3. מעגל המראה הנוכחי של וילסון מספק עכבה נמוכה בכניסה.
4. זה לא דורש מתח הטיה נוסף ונדרשים משאבים מינימליים לבנייתו.

מגבלות המראה הנוכחי של וילסון:

1. כאשר מעגל המראה הנוכחי של וילסון מוטה בתדירות גבוהה מקסימאלית, לולאת המשוב השלילית גורמת לחוסר יציבות בתגובת התדרים.
2. יש לו מתח תאימות גבוה יותר בהשוואה למעגל המראה הנוכחי הטרנזיסטורי הבסיסי.
3. מעגל המראה הנוכחי של וילסון יוצר רעש על פני הפלט. זאת בשל המשוב המעלה את עכבת הפלט ומשפיע ישירות על זרם הקולט. תנודות זרם הקולט תורמות רעשים על פני התפוקה.

דוגמה מעשית למעגל המראה הנוכחי של וילסון

כאן מדומה את המראה הנוכחית של וילסון באמצעות פרוטאוס.

שלושת הרכיבים הפעילים (BJT) משמשים לייצור המעגלים. BJTs הם כולם 2N2222, עם מפרט זהה. הסיר נבחר כדי לשנות את הזרם על פני אספן Q2 אשר ישקף עוד יותר את אספן ה- Q3. עבור עומס המוצא, נבחר נגד 10 אוהם.

הנה סרטון ההדמיה לטכניקת המראה הנוכחית של ווילסון-

בסרטון, המתח המתוכנת על פני אספן Q2 משתקף על פני אספן Q3.

טכניקת מראה הנוכחית של Widlar

מעגל מראה זרם מצוין נוסף הוא מעגל המקור הנוכחי של Widlar, שהומצא על ידי Bob Widlar.

המעגל זהה לחלוטין למעגל המראה הנוכחי הבסיסי המשתמש בשני טרנזיסטורי BJT. אבל יש שינוי בטרנזיסטור המוצא. טרנזיסטור הפלט משתמש בנגד ניוון פולט כדי לספק זרמים נמוכים על פני הפלט תוך שימוש בערכי נגדים מתונים בלבד.

אחת מדוגמאות היישום הפופולריות למקור הנוכחי של Widlar נמצאת במעגל המגבר התפעולי uA741.

בתמונה למטה מוצג מעגל מקור זרם Widlar.

המעגל מורכב משני טרנזיסטורים T1 & T2 בלבד ושני נגדים R1 & R2. המעגל זהה לשני מעגלי המראה הנוכחיים הטרנזיסטורים ללא R2. ה- R2 מחובר בסדרה עם פולט הקרקע T2. נגד פולט זה מפחית ביעילות את הזרם על פני T2 בהשוואה ל- T1. זה נעשה על ידי ירידת המתח על פני הנגד הזה, ירידת מתח זו מפחיתה את מתח הפולט הבסיסי של טרנזיסטור המוצא מה שמביא עוד יותר להפחתת זרם אספן על פני ה- T2.

ניתוח והפקת עכבת פלט עבור מעגל מראה זרם רחב

כפי שצוין לעיל שהזרם על פני T2 מצטמצם בהשוואה לזרם T1, שניתן לבחון אותו ולנתח אותו באמצעות סימולציות של Cadence Pspice. בואו נראה את בניית מעגל Widlar והדמיות בתמונה למטה

המעגל בנוי ב- Cadence Pspice. שני טרנזיסטורים בעלי מפרט זהה משמשים במעגלים, שהם 2N2222. הבדיקות הנוכחיות מציגות את העלילה הנוכחית על פני אספן Q2 ו- Q1.

הסימולציה ניתן לראות בתמונה למטה.

באיור לעיל העלילה האדומה שהיא זרם האספן של Q1 מצטמצמת בהשוואה ל- Q2.

החלת KVL (חוק המתח של קירכהוף) על פני צומת פולט הבסיס של המעגל, V _BE1 = V _BE2 + I _E2 R ₂ V _BE1 = V _BE2 + (β + 1) I _B2 R ₂

ה- β ₂ מיועד לטרנזיסטור המוצא. זה שונה לחלוטין מטרנזיסטור הקלט שכן העלילה הנוכחית בגרף הסימולציה מראה בבירור שהזרם בשני טרנזיסטורים שונה.

הנוסחה הסופית ניתן להסיק את הנוסחה הנ"ל אם β הסופי נדחה ואם נשנינו את ואני _C1 כמו שאני _לפי ואני _C2 כפי שאני _OUT. לָכֵן,

כדי למדוד את עמידות הפלט של המקור הנוכחי של Widlar, מעגל האותות הקטנים הוא אפשרות שימושית. התמונה למטה היא מעגל אות קטן ושווה ערך למקור הנוכחי של Widlar.

ה- Ix הנוכחי מוחל על פני המעגל כדי למדוד את התנגדות המוצא של המעגל. לכן, בהתאם לחוק אוהם, התנגדות הפלט היא

Vx / Ix

התנגדות פלט יכול להיקבע על ידי יישום החוק של Kirchoff פני הקרקע שמאל אל R2, זה is-

שוב, החלת חוק המתח של קירכהוף על אדמת R2 על קרקע זרם הקלט, V _X = I _X (R ₀ + R ₂) + I _b (R ₂ - βR ₀)

כעת, שינוי הערך, המשוואה הסופית להפקת התנגדות הפלט של מעגל המראה הנוכחי של Widlar היא

אז כך ניתן להשתמש בטכניקות המראה הנוכחיות של ווילסון ווידלר לשיפור העיצובים של מעגל המראה הנוכחי הבסיסי.