- Temel Akım Aynası Devresinin İyileştirilmesi
- Wilson Akım Aynası Devresi
- Wilson Güncel Ayna Tekniğinin Avantajları ve Sınırlamaları
- Wilson Akım Aynası Devresinin Pratik Örneği
- Widlar Akım Aynası Tekniği
- Geniş Akım Aynası Devresi için Çıkış Empedansının Analizi ve Türetilmesi
Bir önceki yazıda, Akım Aynası Devresini ve Transistör ve MOSFET kullanılarak nasıl kurulabileceğini tartıştık. Temel akım aynası devresinin iki basit aktif bileşen, BJT'ler ve MOSFET'ler kullanılarak veya bir amplifikatör devresi kullanılarak inşa edilebilmesine rağmen, çıktı mükemmel değildir ve harici şeylere belirli sınırlamaları ve bağımlılıkları vardır. Bu nedenle kararlı bir çıktı elde etmek için, mevcut ayna devrelerinde ek teknikler kullanılır.
Temel Akım Aynası Devresinin İyileştirilmesi
Akım Aynası Devresinin çıkışını iyileştirmek için birkaç seçenek vardır. Çözümlerden birinde, geleneksel iki transistör tasarımının üzerine bir veya iki transistör eklenir. Bu devrelerin inşası, transistörlerin temel akım uyumsuzluğunun üstesinden gelmek için emitör izleyici konfigürasyonunu kullanır. Tasarım, çıkış empedansını dengelemek için farklı bir devre yapısına sahip olabilir.
Büyük bir devrenin parçası olarak mevcut ayna performansını analiz etmek için üç temel ölçüm vardır.
1. İlk ölçü, statik hata miktarıdır. Giriş ve çıkış akımları arasındaki farktır. Diferansiyel amplifikatör kazancı ile diferansiyel tek uçlu çıkış dönüşümünün farkı, ortak mod ve güç kaynağının red oranını kontrol etmekten sorumlu olduğundan, farkı en aza indirmek zor bir görevdir.
2. Bir sonraki en önemli ölçü, akım kaynağı çıkış empedansı veya çıkış iletkenliğidir. Bu çok önemlidir, çünkü mevcut kaynak aktif bir yük gibi davranırken sahneyi tekrar etkiler. Ayrıca farklı durumlarda ortak mod kazancını da etkiler.
3. Akım aynası devrelerinin kararlı çalışması için son önemli ölçü, giriş ve çıkış terminalleri boyunca yer alan güç rayı bağlantısından gelen minimum voltajlardır.
Bu nedenle, Temel Akım Aynası Devresinin çıkışını iyileştirmek için, yukarıdaki tüm performans ölçütlerini göz önünde bulundurarak, burada popüler Akım Aynası Teknikleri - Wilson Akım Ayna Devresi ve Widlar Akım Kaynak Devresi'ni tartışacağız.
Wilson Akım Aynası Devresi
Her şey, iki mühendis George R. Wilson ve Barrie Gilbert arasında bir gecede iyileştirilmiş bir akım aynası devresi yapma mücadelesiyle başladı. George R. Wilson'ın 1967'de yarışmayı kazandığını söylemeye gerek yok. George R. Wilson'ın adından, kendisi tarafından tasarlanan geliştirilmiş akım aynası devresine Wilson Current Mirror Circuit denir.
Wilson akım aynası devresi, girişi boyunca akımı kabul eden ve akımın tam kopyasını veya aynalanmış kopyasını çıkışına sağlayan üç aktif cihaz kullanır.
Wilson Akım Aynası Devresinin yukarısında, BJT'ler ve tek bir direnç R1 olan üç aktif bileşen vardır.
Burada iki varsayım yapılır - birincisi, tüm transistörlerin aynı akım kazancına sahip olduğu ve ikincisi T1 ve T2'nin toplayıcı akımlarının eşit olduğu, çünkü T1 ve T2 eşleştiği ve aynı transistör olduğu. Bu nedenle
Ben C1 = ben C2 = ben C
Bu temel akım için de geçerlidir.
Ben B1 = ben B2 = ben B
T3 transistörünün temel akımı, mevcut kazanç ile kolayca hesaplanabilir.
Ben B3 = ben C3 / β… (1)
Ve T3'ün yayıcı akımı
Ben B3 = ((β + 1) / β) ben C3 … (2)
Yukarıdaki şemaya bakarsak, T3 yayıcıdaki akım T2'nin kollektör akımı ile T1 ve T2'nin temel akımlarının toplamıdır. Bu nedenle, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Şimdi, yukarıda tartışıldığı gibi, bu daha fazla şu şekilde değerlendirilebilir:
Ben E3 = ben C + ben B + ben B ben E3 = ben C + 2I B
Bu nedenle
Ben E3 = (1+ (2 / β)) ben C
I E3, (2) 'ye göre değiştirilebilir
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
Kollektör akımı şu şekilde yazılabilir:
I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Yine şematik olarak geçen akım
Yukarıdaki denklem, Üçüncü transistör toplayıcıları ile giriş direnci akımı arasında bir ilişki çizebilir. Nasıl? 2 / (β (β + 2)) << 1 ise I C3 ≈ I R1 olur. Çıkış akımı, transistörlerin temel verici voltajı 1V'den düşükse de kolayca hesaplanabilir.
Ben C3 ≈ ben R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Dolayısıyla, doğru ve kararlı çıkış akımı için, R 1 ve V 1'in uygun değerlerde olması gerekir. Devrenin sabit bir akım kaynağı olarak hareket etmesini sağlamak için, R1'in sabit bir akım kaynağı ile değiştirilmesi gerekir.
Wilson Akım Aynası Devresinin İyileştirilmesi
Wilson akım aynası devresi, başka bir transistör ekleyerek mükemmel doğruluk elde etmek için daha da geliştirilebilir.
Yukarıdaki devre Wilson akım aynası devresinin geliştirilmiş versiyonudur. Devreye dördüncü transistör T4 eklenir. Ek transistör T4, T1 ve T2'nin kollektör voltajını dengeler. T1'in kollektör voltajı, V BE4'e eşit miktarda dengelenir. Bu, sonlu
Wilson Güncel Ayna Tekniğinin Avantajları ve Sınırlamaları
Mevcut ayna devresinin, geleneksel temel Akım Aynası devresine kıyasla çeşitli avantajları vardır.
- Temel akım aynası devresi durumunda, temel akım uyumsuzluğu yaygın bir sorundur. Bununla birlikte, bu Wilson akım aynası devresi, temel akım dengesi hatasını neredeyse ortadan kaldırır. Bundan dolayı, çıkış akımı giriş akımından itibaren doğruya yakındır. Sadece bu değil, devre T3'ün tabanından T1'in negatif geri beslemesi nedeniyle çok yüksek çıkış empedansı kullanır.
- Geliştirilmiş Wilson akım aynası devresi 4 transistör versiyonu kullanılarak yapılmıştır, bu nedenle yüksek akımlarda işlem için kullanışlıdır.
- Wilson akım aynası devresi, girişte düşük empedans sağlar.
- Ek öngerilim gerilimi gerektirmez ve onu inşa etmek için minimum kaynaklara ihtiyaç vardır.
Wilson Current Mirror'ın Sınırlamaları:
- Wilson akım aynası devresi maksimum yüksek frekansla önyargılı olduğunda, negatif geri besleme döngüsü frekans yanıtında kararsızlığa neden olur.
- Temel iki transistör akım aynası devresine kıyasla daha yüksek bir uygunluk voltajına sahiptir.
- Wilson akım aynası devresi, çıktı boyunca gürültü yaratır. Bunun nedeni, çıkış empedansını yükselten ve kolektör akımını doğrudan etkileyen geri beslemedir. Kollektör akım dalgalanması, çıktı boyunca gürültülere katkıda bulunur.
Wilson Akım Aynası Devresinin Pratik Örneği
Burada Wilson akım aynası Proteus kullanılarak simüle edilmiştir.
Devreyi yapmak için üç aktif bileşen (BJT) kullanılır. BJT'lerin hepsi aynı özelliklere sahip 2N2222'dir. Pot, Q2 toplayıcı boyunca akımı değiştirmek için seçilir ve bu da Q3 toplayıcıya daha fazla yansır. Çıkış yükü için 10 Ohm'luk bir direnç seçiliyor.
Wilson Current Mirror Technique için simülasyon videosu.
Videoda, Q2'nin toplayıcısındaki programlanmış voltaj, Q3 toplayıcısına yansıtıyor.
Widlar Akım Aynası Tekniği
Bir başka mükemmel akım aynası devresi, Bob Widlar tarafından icat edilen Widlar Akım Kaynağı Devresidir.
Devre, iki BJT transistörü kullanan temel akım aynası devresiyle tamamen aynıdır. Ancak çıkış transistöründe bir değişiklik var. Çıkış transistörü, yalnızca orta direnç değerleri kullanarak çıkış boyunca düşük akımlar sağlamak için bir yayıcı dejenerasyon direnci kullanır.
Widlar akım kaynağının popüler uygulama örneklerinden biri uA741 işlemsel amplifikatör devresindedir.
Aşağıdaki resimde bir Widlar akım kaynağı devresi gösterilmektedir.
Devre, yalnızca iki transistör T1 ve T2 ve iki direnç R1 ve R2'den oluşur. Devre, R2'siz iki transistör akım aynası devresiyle aynıdır. R2, T2 yayıcı ve toprağa seri olarak bağlanır. Bu emitör direnci, T1'e kıyasla T2'deki akımı etkili bir şekilde azaltır. Bu, bu direnç boyunca voltaj düşüşü ile yapılır, bu voltaj düşüşü, çıkış transistörünün baz yayıcı voltajını azaltır ve bu da T2 boyunca kolektör akımının düşmesine neden olur.
Geniş Akım Aynası Devresi için Çıkış Empedansının Analizi ve Türetilmesi
Daha önce belirtildiği gibi T2 boyunca akımın T1 akımına kıyasla azaldığı, Cadence Pspice simülasyonları kullanılarak daha fazla test edilip analiz edilebilir. Widlar devre yapısını ve simülasyonlarını aşağıdaki görselde görelim,
Devre Cadence Pspice'de inşa edilmiştir. Devrede 2N2222 olan aynı özelliklere sahip iki transistör kullanılır. Mevcut problar, Q2 ve Q1 toplayıcıdaki mevcut grafiği gösteriyor.
Simülasyon aşağıdaki resimde görülebilir.
Yukarıdaki şekilde Q1'in kollektör akımı olan kırmızı plot, Q2'ye göre azalmaktadır.
Devrenin taban-verici bağlantısı boyunca KVL'yi (Kirchhoff'un Gerilim Yasası) uygulamak, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Β 2, çıkış transistörü içindir. Simülasyon grafiğindeki mevcut grafik, iki transistördeki akımın farklı olduğunu açıkça gösterdiğinden, Giriş transistöründen tamamen farklıdır.
Son formül, sonlu β geçersiz kılınırsa ve I C1'i I IN olarak ve I C2'yi I OUT olarak değiştirirsek yukarıdaki formülden çıkarılabilir. Bu nedenle,
Widlar akım kaynağının çıkış direncini ölçmek için küçük sinyal devresi kullanışlı bir seçenektir. Aşağıdaki resim Widlar akım kaynağı için eşdeğer bir küçük sinyal devresidir.
Akım Ix, devrenin çıkış direncini ölçmek için devreye uygulanır. Yani, Ohm kanunun gereği, çıkış direnci ise
Vx / Ix
Çıkış direnci, bu de öyledir R2 için sol zemin üzerinde Kirchoff kanunu uygulanarak tespit edilebilir
Yine Kirchhoff'un voltaj yasasını R2 zemini boyunca Giriş akımının topraklamasına uygulayarak, V X = I x (R 0 + R 2) + I B (R, 2 - pR 0)
Şimdi, değerin değiştirilmesi, Widlar Akım Aynası devresinin çıkış direncini elde etmek için son denklem
Bu, Wilson ve Widlar akım Aynası Tekniklerinin Temel Akım Aynası Devresi tasarımlarını geliştirmek için nasıl kullanılabileceğidir.