Wie unterscheidet sich diese mit einer Diode versehene Schaltung von der Standard-Stromspiegelschaltung oder funktioniert sie auf die gleiche Weise? [Duplikat]

Die erste Schaltung verwendet keinerlei Rückkopplung oder Anpassungsversuch (Koppelnavigation), um den Diodenstrom im BJT zu verfolgen. Es ist jedoch sehr unwahrscheinlich, dass der pn-Übergang der Diode ähnlich dotiert ist wie der BJT-Basis-Emitter-Übergang des Transistors, mit dem Sie versuchen, den Strom anzupassen. Daher führen alle Änderungen zwischen ihnen zu proportional unterschiedlichen Strömen. Wenn sie sich unterschiedlich erwärmen, wird der Stromunterschied noch größer.

Die zweite Schaltung kompensiert die Fehlanpassung zwischen Diode und BJT-Übergang durch Verwendung des 100-Ohm-Widerstands in einem Emitter-Degenerationsschema. Wenn der Strom im BE-Übergang bei einer gegebenen Durchlassspannung höher ist als in der Diode, dann ist der Spannungsabfall an R4 größer als an R3. Dies bewirkt, dass ein geringerer Spannungsabfall in Reihe über dem BJT-Be-Übergang stattfindet, und verringert den höheren BJT-Strom, um näher am Diodenstrom zu liegen.

Die Emitterdegeneration ist eine Form der Rückkopplung, die Schwankungen im Strom aufgrund von Fehlanpassungen aufgrund von Prozessschwankungen oder einfach unterschiedlichen Herstellungsbedingungen reduziert. Da der Sperrschichtstrom exponentiell mit der daran anliegenden Spannung zusammenhängt, kann eine kleine Fehlanpassung der Durchlassspannung zu proportional viel größeren Stromänderungen führen. Durch Hinzufügen des Emitter/Dioden-Widerstands wird die exponentielle Reaktion ziemlich abgemildert, was dazu beiträgt, dass die Fehlanpassung zwischen den beiden Geräten toleriert wird. Es erhöht auch den Ausgangswiderstand, was bei einem Stromspiegel sehr wünschenswert ist.

Die dritte Schaltung verwendet sowohl das Emitter-Degenerationsschema der mittleren Schaltung als auch die tatsächliche Anpassung des BJT. Dadurch erhalten Sie den engsten Spiegel des Stroms, da die BJTs ähnlicher arbeiten als eine Diode.

Ich habe die drei Beispiele in der Schaltung unten wiederholt. Bevor ich mit einer bescheidenen Analyse der ersten Schaltung in Beispiel 1 beginne, möchte ich noch einmal zusammenfassen, wie ein Stromspiegel funktioniert. Nur um auf die gleiche Seite zu kommen. Das ist in der grundlegenden Spiegelschaltung ganz rechts:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

In diesem Fall,$R_1$legt den Strom fest, den die LAST erfahren wird.$Q_a$Der Kollektor von ist mit seiner Basis verbunden und befindet sich daher etwa einen Diodentropfen über dem Boden. Wenn die$+V$Versorgung groß genug ist, dann den Strom in$Q_a$'s Sammler wird$I_{C_a}= \frac{V-V_{BE}}{R_1}\approx \frac{V}{R_1}$. (In beiden wird ein gewisser Basisstrom fließen$Q_a$Und$Q_b$, die jedoch vom Kollektorstrom in subtrahiert wird$Q_a$.) Dieser Kollektorstrom kann nur unterstützt werden, wenn$V_{BE}\approx\frac{n\cdot k\cdot T}{q}\cdot ln\left(\frac{I_{C_a}}{I_S}\right)$. So$R_1$zieht gerade genug an der Basis hoch, um dies ebenfalls zu erreichen. Diese Basisspannung (auf Masse bezogen) treibt dann die Basis an$Q_b$auf denselben Wert, der nach demselben Prinzip (nämlich$I_{C_b} = I_S\cdot\left(e^{\frac{q\cdot V_{BE}}{n\cdot k\cdot T}}-1\right)$.) Die Last erfährt also einen sehr ähnlichen Strom wie der eingestellte$R_1$.

Eine der netten Eigenschaften dieses Stromspiegels ist, dass die beiden BJTs, wenn sie denselben Prozess und denselben Chip und dasselbe Gehäuse haben, wahrscheinlich sehr ähnliche Betriebsparameter haben und auch fast dieselbe Temperatur haben. Seit$V_{BE}$stark temperaturabhängig ist (und nicht aus Gründen, die in den bereits gezeigten Gleichungen offensichtlich sind, trotz des Vorhandenseins von$T$in ihnen), ist es sehr hilfreich, sie thermisch zu koppeln.

Eines der Probleme mit dem Basisspiegel ist der sogenannte Early-Effekt, der das Kollektorstromverhalten basierend auf der Spannung von beeinflusst$V_{CE}$. Der$V_{CE}$von$Q_a$ist nahezu konstant. Je nachdem, wie sich die Last selbst verhält, kann die$V_{CE}$von$Q_b$kann ganz anders sein. Es gibt also verbesserte aktuelle Spiegel (wie den Wilson), die dieses Problem angehen. Das halte ich hier für übertrieben.

Beachten Sie noch einmal die Tatsache, dass$Q_a$im Basisspiegel ist als Diode geschaltet . Und beachten Sie, dass aktuelle Spiegel wirklich nicht oft als diskrete Designs ausgeführt werden. Stattdessen werden BJT-Paare verwendet, wie sie beispielsweise im BCV62 zu finden sind, wenn das Design diskret erfolgen soll. Aktuelle Spiegel sind jedoch überall in IC-Designs zu finden.

Ich werde hier zwei Schlüsselgleichungen (ich habe eine oben erwähnt) herauswerfen. Dies sind wichtige Gleichungen, die in Kürze auftauchen werden:

$$\begin{align*} \text{(1)}&& I_{\left(V,T\right)} &= I_{S\left(T\right)}\cdot\left[e^{\frac{V}{n\cdot V_T}}-1\right],\;\;\; where\; V_T=\frac{k\cdot T}{q} \\ \text{(2)}&& I_{S\left(T\right)}&=I_{S\left(T_C\right)}\cdot\left[\frac{T}{T_C}\right]^3\cdot e^{\left(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_C}\right)\cdot\frac{-E_g\:\cdot\:q}{k}}\end{align*}$$

$V_T$ist als thermische Spannung bekannt (hier grundlegende Physik) und beträgt ungefähr$26mV$bei Raumtemperatur.$n$ist der Emissionskoeffizient und er wird ziemlich bald unten auftauchen. Bei einem Kleinsignal-BJT kann man normalerweise davon ausgehen, dass dies der Fall ist$n=1$.$I_{S\left(T\right)}$ist der Sättigungsstrom des Modells. Auch das wird sich ergeben.$E_g$ist die effektive Energielücke und ein weiterer Modellparameter mit einer bescheidenen Verbindung zur physikalischen Realität.$k$ist die Boltzmann-Konstante.$q$ist die Ladung eines Elektrons.$I_{S\left(T_C\right)}$ist der Sättigungsstrom bei einer Kalibriertemperatur,$T_C$. [Anmerkung: die Macht von$3$in Gleichung (2) ist selbst noch ein weiterer Modellparameter und kann etwas anders sein als 3.]

Die erste der beiden obigen Gleichungen kann gelöst werden$V$als ungefähr folgende Gleichung ( dazu wird der -1-Term vergessen ):

$$V = n\cdot V_T \cdot ln\left(\frac{I_{\left(V,T\right)}}{I_{S\left(T\right)}}\right)$$

Nun, da das aus dem Weg geräumt ist, schauen wir uns Beispiel 1 an. Hier hat sich jemand entschieden, den einfachen Spiegel zu nehmen, und anstatt die Mühe mit einem diodenverbundenen BJT zu verschwenden, hat er sich dafür entschieden, dort eine Diode zu stecken. Warum nicht?

Nun, es gibt viele gute Gründe.

Eine davon ist, dass es dabei sehr wahrscheinlich ist$Q_1$Der Kollektor von wird einen viel kleineren Strom liefern, als durch die Verwendung von vorgeschlagen wird$R_1$in dieser Schaltung. Warum? Denn der Kollektorstrom in$Q_1$wird auf folgende Weise mit dem Diodenstrom in Beziehung stehen (nur etwas bescheidene Algebra, um es zu bekommen):

$$I_{C\left(Q_1\right)} = I_{S\left(Q_1\right)}\cdot\left[\frac{I_{\left(D_1\right)}}{I_{S\left(D_1\right)}}\right]^{\left(\cfrac{n_{D_1}}{n_{Q_1}}\right)}$$

Machen wir also ein Beispiel. Legen wir fest$R_1$so dass$I_{\left(D_1\right)}=1mA$. Unsere Diode wird eine 1N4148 sein und$Q_1$wird ein 2N3904 sein. So$n_{D_1}=1.752$,$n_{Q_1}=1$,$I_{S\left(Q_1\right)}=10fA$,$I_{S\left(D_1\right)}=2.52nA$. Daraus können wir das berechnen$I_{C\left(Q_1\right)}\approx 65\mu A$. Das ist nicht einmal annähernd der Diodenstrom!

(Diese obige Berechnung ignoriert den frühen Effekt, der erhebliche Auswirkungen haben kann.)

Ein weiteres Problem hat mit dem Verlust der Tatsache zu tun, dass beide Paare im Basisspiegel ähnliche Geräte sind und sehr ähnliche Änderungen aufweisen werden$V_{BE}$relativ zu Temperaturänderungen. Gleichung (1) oben könnte darauf hindeuten$V_{BE}$hätte ein positives tempco. Aber Gleichung (2) überwältigt dies zutiefst, so dass ein BJT tatsächlich seine ändert$V_{BE}$durch irgendwo dazwischen$-1.8\frac{mV}{^{\circ}C}$Zu$-2.4\frac{mV}{^{\circ}C}$. (Ein negativer Tempco.) Aber in Beispiel 1 wird der Tempco zwischen der Diode und dem BJT mit ziemlicher Sicherheit ganz anders sein. Damit ist der Kollektorstrom gegenüber Temperaturschwankungen nicht mehr stabil. Auch wenn die Diode und der BJT thermisch gekoppelt sind, gut. Sie verlieren einen sehr wichtigen Vorteil.

(Eigentlich, wenn Sie eine Temperaturvariation erhalten möchten , können Sie dies tun. Und tatsächlich wird so etwas für Bandabstandsspannungsreferenzen durchgeführt - obwohl sie normalerweise zwei BJTs mit unterschiedlichen Stromdichten verwenden, um eine positive Variation zu entwickeln mit der Temperatur als Unterschied zwischen ihren Verhaltensweisen, und addieren Sie diese dann zum ursprünglichen negativen Tempco, um die Temperaturschwankung zu neutralisieren, während Sie eine feste Spannung aufrechterhalten [oft um$1.2V$.])

Also Beispiel 1 ist wirklich nicht so gut.

In Beispiel 2 werden auf beiden Seiten zwei Widerstände hinzugefügt. Die Hauptidee dabei ist, dass das Hinzufügen dieser Widerstände den Kollektorstrom näher an den Diodenstrom bringt, da die relative Spannungsdifferenz verringert wird. Sie können dies ziemlich leicht daran erkennen, dass die Diode angesteuert wird$1mA$, dann wird es die Basisspannung von aufbocken$Q_1$von$R_a\cdot 1mA$. Aber wenn der Kollektorstrom eingeht$Q_1$blieb dabei dürftig$65\mu A$Ich erwähnte vorhin, dann den Drop-Across$R_b$wird fast nichts. Und das wird sich ausdehnen$V_{BE}$von$Q_1$, was einen höheren Kollektorstrom induziert. Das kann einen großen Unterschied machen. Mit diesen$100\Omega$Beispiele bei$1mA$, kann dies den Kollektorstrom um einen Faktor von erhöhen$5-8\times$, macht die Dinge viel näher. Ein weiterer kleinerer Gewinn besteht darin, dass die durch diese Widerstände abfallende Spannung dazu neigt, die Tempco-Variation in den Schatten zu stellen$D_1$und auf der$V_{BE}$von$Q_1$, also wird es auch dort weniger Bedenken geben. Der Hauptgrund besteht jedoch darin, den Kollektorstrom mehr an den Diodenstrom anzupassen.

Es ist immer noch irgendwie beschissen. Aber wenn Sie die Dinge diskret bauen, sich nicht die Mühe machen, Teile aufeinander abzustimmen, und keine gepaarten Stromspiegel-BJT-Teile verwenden, dann spielt es vielleicht keine Rolle, und Sie können mit diesem Fix auskommen.

Beispiel 3 zeigt Ihnen, wie Sie den einfachen Spiegel leicht verbessern können. Wenn dies ein BCV62-Spiegelpaar verwenden würde,$R_a$Und$R_b$weniger darum, die Kollektorströme aufeinander abzustimmen, sondern vielleicht ein wenig mehr darum, die Tempco-Antwort zu verbessern. Aber mit einem diskreten Design deckt es alle Grundlagen ab und lässt es einigermaßen gut funktionieren, ohne dass Teile von Hand sortiert werden müssen.

Wenn Sie einen diskreten Stromspiegel bauen und keine speziellen Teile wie das PNP-Paar BCV62 verwenden, das ziemlich billig [viel billiger als beispielsweise das MAT01] und für diesen Zweck entwickelt wurde, wäre dies eine gute Idee die Emitterwiderstände einzubeziehen und ein wenig Headroom für die Vorteile zu verlieren, die sie bieten.