Текущие зеркальные BJT

Биполярный переходный транзистор или токовое зеркало BJT

Часто используемой схемой, в которой используется биполярный переходной транзистор, является так называемое токовое зеркало . , который служит простым регулятором тока, подающим почти постоянный ток на нагрузку в широком диапазоне сопротивлений нагрузки.

Мы знаем, что в транзисторе, работающем в активном режиме, ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент β. Мы также знаем, что соотношение между током коллектора и током эмиттера называется α. Поскольку ток коллектора равен току базы, умноженному на β, а ток эмиттера является суммой токов базы и коллектора, α должно быть математически выведено из β. Если вы выполните алгебру, вы обнаружите, что α =β / (β + 1) для любого транзистора.

Мы уже видели, как поддержание постоянного тока базы через активный транзистор приводит к регулированию тока коллектора в соответствии с коэффициентом β. Что ж, соотношение α работает аналогично:если ток эмиттера остается постоянным, ток коллектора будет оставаться на стабильном регулируемом значении, пока транзистор имеет достаточное падение напряжения между коллектором и эмиттером, чтобы поддерживать его в активном режиме. Следовательно, если у нас есть способ поддерживать постоянным ток эмиттера через транзистор, транзистор будет работать, чтобы регулировать ток коллектора на постоянном значении.

Помните, что соединение база-эмиттер BJT - это не что иное, как PN-переход, как и диод, и что «уравнение диода» определяет, сколько тока будет проходить через PN-переход при прямом падении напряжения и температуре перехода:

Формула уравнения диода

Если и напряжение перехода, и температура поддерживаются постоянными, то ток PN перехода будет постоянным. Следуя этой логике, если мы будем поддерживать напряжение база-эмиттер транзистора постоянным, то его эмиттерный ток будет постоянным при постоянной температуре. Рассмотрим пример рисунка ниже

Константа VBE дает постоянный IB, постоянный IE и постоянный IC.

Этот постоянный ток эмиттера, умноженный на постоянное соотношение α, дает постоянный ток коллектора через R _load если имеется достаточно напряжения батареи, чтобы транзистор оставался в активном режиме при любом изменении R _{нагрузки} Сопротивление.

Чтобы поддерживать постоянное напряжение на переходе база-эмиттер транзистора, используйте диод с прямым смещением, чтобы установить постоянное напряжение примерно 0,7 В, и подключите его параллельно переходу база-эмиттер, как показано на рисунке ниже.

Диодный переход 0,7 В поддерживает постоянное базовое напряжение и постоянный базовый ток.

Падение напряжения на диоде, вероятно, не будет ровно 0,7 вольт. Точная величина прямого напряжения, падающего на него, зависит от тока через диод и температуры диода, и все это в соответствии с уравнением диода. Если ток диода увеличивается (скажем, за счет уменьшения сопротивления R _bias ), его падение напряжения немного увеличится, увеличивая падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, что увеличит ток эмиттера в той же пропорции, если предположить, что PN-переход диода и переход база-эмиттер транзистора хорошо согласованы с каждым из них. разное. Другими словами, ток эмиттера транзистора будет примерно равен току диода в любой момент времени. Если вы измените ток диода, изменив значение сопротивления R _bias , то эмиттерный ток транзистора будет следовать этому примеру, потому что эмиттерный ток описывается тем же уравнением, что и ток диода, и оба PN-перехода испытывают одинаковое падение напряжения.

Помните, что ток коллектора транзистора почти равен току его эмиттера, так как коэффициент α типичного транзистора почти равен единице (1). Если у нас есть контроль над током эмиттера транзистора путем установки тока диода с помощью простой регулировки резистора, то мы также можем контролировать ток коллектора транзистора. Другими словами, имитаторы тока коллектора или зеркала , ток диода.

Ток через резистор R _{нагрузка} поэтому является функцией тока, установленного резистором смещения, причем оба значения почти равны . Это функция схемы токового зеркала:регулировать ток через нагрузочный резистор, удобно регулируя значение R _{предвзятость} . Ток через диод описывается простым уравнением:напряжение источника питания минус напряжение диода (почти постоянное значение), деленное на сопротивление R _bias .

Чтобы лучше соответствовать характеристикам двух PN-переходов (диодного перехода и перехода база-эмиттер транзистора), вместо обычного диода можно использовать транзистор, как показано на рисунке ниже (а).

Текущие зеркальные схемы.

Поскольку температура является фактором в «уравнении диода», и мы хотим, чтобы два PN перехода вели себя одинаково во всех рабочих условиях, мы должны поддерживать два транзистора при одинаковой температуре. Это легко сделать с помощью дискретных компонентов, склеив корпуса двух транзисторов спина к спине. Если транзисторы изготовлены вместе на едином кремниевом кристалле (в виде так называемой интегральной схемы , или IC ), разработчикам следует расположить два транзистора близко друг к другу, чтобы облегчить теплообмен между ними.

Схема токового зеркала, показанная с двумя NPN-транзисторами на рисунке выше (а), иногда называется потребляющим ток . типа, потому что регулирующий транзистор отводит ток от нагрузки к земле («втекающий» ток), а не заставляет его течь от положительной стороны батареи к нагрузке («источник» тока). Если мы хотим иметь заземленную нагрузку и источник тока зеркальной схемы, мы можем использовать транзисторы PNP, как показано на рисунке выше (b).

Хотя резисторы могут быть изготовлены в виде ИС, изготовить транзисторы проще. Разработчики ИС избегают использования некоторых резисторов, заменяя нагрузочные резисторы источниками тока. Схема, подобная операционному усилителю, построенная из дискретных компонентов, будет иметь несколько транзисторов и много резисторов. Версия с интегральной схемой будет иметь много транзисторов и несколько резисторов. На рисунке ниже одно опорное напряжение, Q1 управляет несколькими источниками тока:Q2, Q3 и Q4. Если Q2 и Q3 - транзисторы с одинаковой площадью, токи нагрузки I _load будет равно. Если нам понадобится 2 · I _load , параллельно Q2 и Q3. Еще лучше изготовить один транзистор, скажем Q3 с удвоенной площадью Q2. Тогда ток I3 будет в два раза больше I2. Другими словами, ток нагрузки зависит от площади транзистора.

Несколько токовых зеркал могут работать от одного источника напряжения (Q1 - Rbias).

Обратите внимание, что для нескольких токовых зеркал принято проводить линию базового напряжения прямо через символы транзисторов! Или в случае Q4 на рисунке выше два источника тока связаны с одним символом транзистора. Нагрузочные резисторы нарисованы почти невидимыми, чтобы подчеркнуть тот факт, что в большинстве случаев их нет. Нагрузка часто представляет собой другую (множественную) транзисторную схему, скажем, пара эмиттеров дифференциального усилителя, например Q3 и Q4 в «Простом операционном усилителе», глава 8. Часто коллекторная нагрузка транзистора не является резистором. но актуальное зеркало. Например, нагрузка коллектора коллектора Q4, канал 8 является токовым зеркалом (Q2).

В качестве примера токового зеркала с несколькими коллекторами выходы см. Q13 в операционном усилителе модели 741, канал 8. Выходы токового зеркала Q13 заменяют резисторы в качестве нагрузки коллектора для Q15 и Q17. Из этих примеров видно, что токовые зеркала предпочтительнее в качестве нагрузки резисторов в интегральных схемах.

ОБЗОР:

• текущее зеркало представляет собой транзисторную схему, которая регулирует ток через сопротивление нагрузки, точка регулирования устанавливается простой регулировкой резистора.
• Для точной работы транзисторы в цепи токового зеркала должны поддерживаться при одной и той же температуре. При использовании дискретных транзисторов для этого вы можете склеить их корпуса вместе.
• Токовые зеркальные схемы бывают двух основных разновидностей:текущие затухающие конфигурация, в которой регулирующий транзистор подключает нагрузку к земле; и текущий источник конфигурация, в которой регулирующий транзистор подключает нагрузку к положительной клемме источника постоянного тока.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица активных нагрузок в схемах усилителя
• Таблица дифференциальных транзисторных усилителей