Понимание токовых зеркал в схемах на биполярных транзисторах

Токовое зеркало на биполярном транзисторе (BJT)

Токовое зеркало — одна из наиболее широко используемых схем на BJT. Оно действует как простой, надежный стабилизатор тока, поддерживающий почти постоянный ток через нагрузку в широком диапазоне нагрузочных сопротивлений.

В активном режиме коллекторный ток (I_C) равен базовому току (I_B), умноженному на коэффициент усиления транзистора, β. Отношение коллекторного тока к эмиттерному — α, которое можно вывести из β как α = β/(β+1). Эта связь показывает, что, точно так же как фиксированный базовый ток фиксирует I_C, фиксированный эмиттерный ток зафиксирует I_C, пока транзистор остается в активной области.

Базово-эмиттерный переход BJT ведет себя как PN-диод. Известное диодное уравнение предсказывает ток перехода для заданного прямого напряжения и температуры:

Формула диодного уравнения

Если прямое напряжение и температура удерживаются постоянными, ток PN-перехода постоянственен. Следовательно, поддержание постоянного базово-эмиттерного напряжения (V_BE) заставляет эмиттерный ток (I_E) и, следовательно, коллекторный ток (I_C) оставаться постоянными, при условии, что у транзистора достаточно V_CE для пребывания в активном режиме.

Для удержания V_BE стабильным, прямо-напряженный диод помещается параллельно базово-эмиттерному переходу, как показано:

Диод устанавливает приблизительное падение 0,7 В, сохраняя базовое напряжение — и, таким образом, базовый, эмиттерный и коллекторный токи — стабильными. Фактическое напряжение немного варьируется с током и температурой, но и диод, и базово-эмиттерный переход транзистора разделяют одну и ту же физику PN-перехода, поэтому эмиттерный ток точно отслеживает диодный ток. Регулировка смещающего резистора (R_bias) меняет диодный ток, что напрямую устанавливает эмиттерный и коллекторный токи.

Поскольку α для типичного BJT близко к единице, коллекторный ток по сути зеркалирует диодный ток. Нагрузочный ток через R_load поэтому устанавливается смещающим резистором, делая токовое зеркало удобным способом регулирования нагрузочного тока единственным резистором.

Для более точного согласования двух PN-переходов второй транзистор может заменить диод, давая пару согласованных транзисторов в конфигурации токового зеркала:

Температурное согласование критично, потому что диодное уравнение зависит от температуры. Дискретные компоненты можно склеить спинкой к спинке, в то время как интегральные схемы обычно размещают согласованные транзисторы близко друг к другу для обеспечения равного нагрева.

Топология, показанная с двумя NPN-транзисторами (Рис. а), является поглощающим (current-sinking) зеркалом: регулирующий транзистор отводит ток от нагрузки к земле. Если требуется заземленная нагрузка, может быть использовано источащее (current-sourcing) зеркало с PNP-транзисторами (Рис. б).

В проектировании ИС резисторы часто заменяются транзисторными источниками тока. Одиночный опорный ток может управлять несколькими токовыми зеркалами: Q2, Q3 и Q4 делят один и тот же опорный ток, а их нагрузочные токи масштабируются с площадью транзистора. Например, транзистор с удвоенной площадью обеспечит удвоенный ток, устраняя необходимость в параллельных резисторах.

Токовые зеркала часто используются как нагрузочные устройства в интегральных усилителях. В ОУ 741, например, зеркало Q13 заменяет резистивную нагрузку Q15 и Q17, демонстрируя, как зеркала заменяют резисторы в высокоинтегрированных ИС.

ОБЗОР:

• Токовое зеркало — транзисторная схема, фиксирующая нагрузочный ток через простой смещающий резистор.
• Точная работа требует, чтобы транзисторы имели одинаковую температуру; дискретные детали можно склеить, а в ИС их размещают в непосредственной близости.
• Токовые зеркала бывают двух базовых конфигураций: поглощающие (NPN) и источащие (PNP).

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Рабочий лист по активным нагрузкам в усилительных схемах
• Рабочий лист по дифференциальным транзисторным усилителям