Токовое зеркало

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Токовое зеркалогенератор тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз. Токовое зеркало – это схема, предназначенная для копирования через одно активное устройство, контролируя ток в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянный ток на выходе, независимо от нагрузки. «Копируемый» ток может быть и иногда является переменным током. Концептуально, идеальное токовое зеркало — это просто идеальный инвертирующий операционный усилитель, который также меняет направление тока, или это управляемый током источник тока. Токовое зеркало используется для смещения токов и питания активных нагрузок в цепях. Токовые зеркала на транзисторах чрезвычайно широко используются в аналоговых интегральных схемах благодаря своей простоте (требуются всего два согласованных транзистора) и эффективности. Токовые зеркала обычно используются для того, чтобы «скопировать» один управляющий ток на множество каскадов, и тем самым задать их ток покоя.

Характеристики токового зеркала[править | править исходный текст]

Есть три основные характеристики, которые характеризуют токовое зеркало. Первыми из них являются коэффициент передачи (в случае операционного усилителя) или величина выходного тока (в случае постоянного тока источника). Во-вторых, его выходное сопротивление для переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу. Третья спецификация — это минимальное падение напряжения на выходе зеркала, необходимого, чтобы заставить ее работать должным образом. Это минимальное напряжение продиктовано необходимостью поддерживать выходной транзистор зеркала в активном режиме. Диапазон напряжений, в котором работает зеркало, называется диапазоном соответствия, и напряжение, лежащее на разделе между хорошим и плохим поведением, называется диапазоном напряжения. Есть также ряд второстепенных вопросов по работе с зеркалами, например, температурная стабильность.

Практические приближения[править | править исходный текст]

Для анализа в режиме малого сигнала токовое зеркало можно приблизить его эквивалентным сопротивлением Нортона. In large-signal hand analysis, текущее зеркало, как правило, просто заменяется идеальным источником тока. Тем не менее, идеальный источник тока не является эквивалентом в нескольких отношениях:

  1. он имеет бесконечное сопротивление переменного тока, в то время как реальное зеркало имеет конечное сопротивление
  2. он обеспечивает один и тот же ток, независимо от напряжения, то есть, нет никаких требований по диапазону соответствия
  3. он не имеет ограничений по частоте, в то время как реальное зеркало имеет свои ограничения из-за паразитных емкостей транзисторов
  4. идеальный источник не чувствителен ко внешним эффектам, таким как шум, перепадам напряжения источника питания и допускам на элементы схемы.

Реализация схем токовых зеркал[править | править исходный текст]

Пример включения токового зеркала на биполярных транзисторах

Основная идея[править | править исходный текст]

Биполярный транзистор может быть использован в качестве простейшего преобразователя тока, но его коэффициент передачи сильно зависит от колебаний температуры, стойкости к бета-излучению и т. д. Для устранения этих нежелательных помех токовое зеркало состоит из двух каскадно соединенных «ток — напряжение» и «напряжение — ток» преобразователей, размещёных при одинаковых условиях и имеющих обратные характеристики. Не обязательно, чтобы они были линейными, единственным требованием является их «зеркальность» (например, в транзисторном токовом зеркале ниже они логарифмические и экспоненциальные). Как правило, используются два одинаковых преобразователя, один из которых обращают с помощью отрицательной обратной связи. Таким образом, токовое зеркало состоит из двух каскадных одинаковых преобразователей (первый — обратный, и второй — прямой).

Работа токового зеркала «программируется» путём задания коллекторного тока транзистора T1. Напряжение Uвэ для T1 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор T2, согласованный с транзистором T1 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передаёт в нагрузку такой же ток, что задан на T1. Небольшими базовыми токами можно пренебречь. Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что её диапазон устойчивости по напряжению Ukk за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе. Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток Iпр с помощью резистора. В связи с тем что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падения напряжения на которых мало по сравнению с Ukk, резистор 14,4 кОм формирует управляющий, а следовательно и выходной ток величиной 1 мА. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока. Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда:

  1. под рукой есть много согласованных транзисторов,
  2. разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.

Существуют даже безрезисторные интегральные операционные усилители, в которых режимный ток всего усилителя задаётся с помощью внешнего резистора, а токи отдельных внутренних усилительных каскадов формируются с помощью токовых зеркал.

Недостатки токовых зеркал, обусловленные эффектом Эрли[править | править исходный текст]

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора T1, напряжение Uвэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией.Практически ток может изменяться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы. Если же нужен более высококачественный источник тока (чаще всего таких требований не возникает), то подойдёт схема , показанная на рисунке. Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта; такая схема — гораздо лучший источник тока. Так как в ней изменения напряжения Uвэ , обусловленные изменениями напряжения Uкэ , оказывают пренебрежительно малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.

Простейшее транзисторное токовое зеркало[править | править исходный текст]

Простейшее транзисторное токовое зеркало

Если принять напряжение на переходе база-эмиттер транзистора в качестве входной величины и ток коллектора принять за выходную величину, то транзистор будет действовать как экспоненциальный преобразователь напряжение-ток. Применив отрицательную обратную связь (просто подсоединив к базе и коллектору) транзистор может быть «обратный», и он будет действовать как противоположный логарифмический преобразователь из тока в напряжение; теперь он будет регулировать «выходное» напряжение база-эмиттер так, чтобы преодолеть «входной» ток коллектора.

Схема Уилсона[править | править исходный текст]

Простое токовое зеркало имеет один существенный недостаток — выходной ток в некоторых пределах меняется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление такой схемы не бесконечно. При заданном токе транзистора напряжение UБЭ, а вместе с ним и ток коллектора, меняется в зависимости от коллекторного напряжения.

Токовое зеркало Уилсона

Эта схема избавлена от описанного выше недостатка и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока. Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора фиксирован и не влияет на выходной ток.

Схемы с несколькими выходами и коэффициенты отражения тока[править | править исходный текст]

Схему токового зеркала можно построить так, что вытекающий выходной ток (или втекающий — в случае использования транзистора n-p-n типа будет предаваться в несколько нагрузок. О том, как эта идея воплощается в жизнь, даёт представленная на рисунке схема. Отметим, что если один из транзисторов – источников тока переходит в режим насыщения (в том случае, например, когда отключается его нагрузка), то база будет отбирать повышенный ток из общей линии, соединяющей базы всех его транзисторов, и в связи с этим уменьшаются остальные выходные токи. Положение можно улучшить если включить в схему ещё один транзистор. На рисунке представлены два варианта многовыходного токового зеркала. Эти схемы отражают удвоенный (или половинный) управляющий ток. При разработке токовых зеркал в интегральных схемах коэффициенты отражения тока задают путём выбора размеров (площадей) эмиттерных переходов. Ещё один способ получения выходного тока, кратного управляющему состоит во включении дополнительного резистора в цепь эмиттера выходного транзистора. Если схема работает с токами различной плотности, то, согласно уравнению Эберса — Молла , разность напряжения UБЭ зависит только от отношения плотностей токов. Для согласованных транзисторов отношение коллекторных токов равно отношению плотностей токов. График позволяет определить разность напряжений между базой и эмиттером в подобном случаеи полезен при разработке токовых зеркал с неединичным отражением.

Смотри также[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]