- Melhorando o circuito de espelho de corrente básico
- Wilson Current Mirror Circuit
- Vantagens e limitações da técnica do espelho atual de Wilson
- Exemplo prático de circuito de espelho de corrente de Wilson
- Técnica do Espelho Atual Widlar
- Analisando e derivando a impedância de saída para o circuito de espelho de corrente Widlar
No artigo anterior, discutimos sobre o Circuito do Espelho Atual e como ele pode ser construído usando Transistor e MOSFET. Apesar do circuito de espelho de corrente básico poder ser construído usando dois componentes ativos simples, BJTs e MOSFETs ou usando um circuito amplificador, a saída não é perfeita, bem como tem certas limitações e dependências das coisas externas. Portanto, para obter uma saída estável, técnicas adicionais são usadas em circuitos de espelho de corrente.
Melhorando o circuito de espelho de corrente básico
Existem várias opções para melhorar a saída do Circuito do Espelho Atual. Em uma das soluções, um ou dois transistores são adicionados ao projeto tradicional de dois transistores. A construção desses circuitos usa a configuração do seguidor de emissor para superar a incompatibilidade de corrente base dos transistores. O projeto pode ter um tipo diferente de estrutura de circuito para equilibrar a impedância de saída.
Existem três métricas principais para analisar o desempenho do espelho atual como parte de um grande circuito.
1. A primeira métrica é a quantidade de erro estático. É a diferença entre as correntes de entrada e saída. É uma tarefa difícil minimizar a diferença, já que a diferença da conversão de saída diferencial de terminação única com o ganho do amplificador diferencial é responsável por controlar a taxa de rejeição do modo comum e da fonte de alimentação.
2. A próxima métrica mais importante é a impedância de saída da fonte de corrente ou a condutância de saída. É crucial porque afeta o estágio novamente enquanto a fonte de corrente está agindo como uma carga ativa. Também afeta o ganho do modo comum em diferentes situações.
3. Para a operação estável de circuitos de espelho de corrente, a última métrica importante são as tensões mínimas provenientes da conexão do barramento de alimentação localizada entre os terminais de entrada e saída.
Portanto, para melhorar a saída do Circuito de Espelho de Corrente Básico, considerando todas as métricas de desempenho acima, discutiremos aqui as técnicas de Espelho de Corrente populares - Circuito de Espelho de Corrente de Wilson e Circuito de Fonte de Corrente de Widlar.
Wilson Current Mirror Circuit
Tudo começou com um desafio entre dois engenheiros, George R. Wilson e Barrie Gilbert, para fazer um circuito de espelho de corrente aprimorado durante a noite. Desnecessário dizer que George R. Wilson venceu o desafio em 1967. Do nome de George R. Wilson, o circuito de espelho de corrente aprimorado projetado por ele é chamado de Circuito de Espelho Atual de Wilson.
O circuito de espelho de corrente Wilson usa três dispositivos ativos que aceitam a corrente em sua entrada e fornecem a cópia exata ou cópia espelhada da corrente em sua saída.
No circuito de espelho de corrente Wilson acima, há três componentes ativos que são BJTs e um único resistor R1.
Duas suposições são feitas aqui - uma é que todos os transistores têm o mesmo ganho de corrente e a segunda é que as correntes do coletor de T1 e T2 são iguais, já que T1 e T2 são casados e o mesmo transistor. Portanto
I C1 = I C2 = I C
E isso também se aplica à corrente de base, I B1 = I B2 = I B
A corrente de base do transistor T3 pode ser facilmente calculada pelo ganho de corrente, que é
I B3 = I C3 / β… (1)
E a corrente do emissor do T3 será
I B3 = ((β + 1) / β) I C3… (2)
Se observarmos o esquema acima, a corrente através do emissor T3 é a soma da corrente do coletor de T2 e das correntes básicas de T1 e T2. Portanto, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Agora, como discutido acima, isso pode ser avaliado como
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Conseqüentemente, I E3 = (1+ (2 / β)) I C
O I E3 pode ser alterado de acordo com (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
A corrente do coletor pode ser escrita como, I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3… (3)
Novamente de acordo com o esquema, a corrente através
A equação acima pode traçar uma relação entre a corrente dos coletores do terceiro transistor e o resistor de entrada. Quão? Se 2 / (β (β + 2)) << 1 então o I C3 ≈ I R1. A corrente de saída também pode ser facilmente calculada se a tensão do emissor de base dos transistores for menor que 1V.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Portanto, para a corrente de saída adequada e estável, R 1 e V 1 precisam estar nos valores adequados. Para fazer com que o circuito atue como uma fonte de corrente constante, o R1 precisa ser substituído por uma fonte de corrente constante.
Melhorando o circuito do espelho atual de Wilson
O circuito do espelho de corrente Wilson pode ser melhorado para obter uma precisão perfeita adicionando outro transistor.
O circuito acima é a versão melhorada do circuito de espelho de corrente Wilson. O quarto transistor T4 é adicionado ao circuito. O transistor adicional T4 equilibra a tensão do coletor de T1 e T2. A tensão do coletor de T1 é estabilizada pelo valor igual a V BE4. Isso resulta em
Vantagens e limitações da técnica do espelho atual de Wilson
O circuito de espelho de corrente tem várias vantagens em comparação com o circuito de espelho de corrente básico tradicional -
- No caso de circuito de espelho de corrente básico, a incompatibilidade de corrente de base é um problema comum. No entanto, este circuito de espelho de corrente Wilson virtualmente elimina o erro de equilíbrio de corrente de base. Devido a isso, a corrente de saída é quase precisa em relação à corrente de entrada. Além disso, o circuito emprega impedância de saída muito alta devido ao feedback negativo através do T1 da base do T3.
- O circuito melhorado do espelho de corrente Wilson é feito com 4 versões de transistores, por isso é útil para a operação em altas correntes.
- O circuito de espelho de corrente Wilson fornece baixa impedância na entrada.
- Não requer tensão de polarização adicional e recursos mínimos são necessários para construí-lo.
Limitações do Wilson Current Mirror:
- Quando o circuito do espelho de corrente Wilson é polarizado com alta frequência máxima, o loop de feedback negativo causa instabilidade na resposta de frequência.
- Ele tem uma tensão de conformidade mais alta em comparação com o circuito de espelho de corrente de dois transistores básico.
- O circuito do espelho de corrente Wilson cria ruído na saída. Isso se deve ao feedback que aumenta a impedância de saída e afeta diretamente a corrente do coletor. A flutuação da corrente do coletor contribui com ruídos na saída.
Exemplo prático de circuito de espelho de corrente de Wilson
Aqui, o espelho de corrente de Wilson é simulado usando Proteus.
Os três componentes ativos (BJT) são usados para fazer o circuito. Os BJTs são todos 2N2222, com as mesmas especificações. O potenciômetro é selecionado para alterar a corrente no coletor Q2, o que refletirá ainda mais no coletor Q3. Para a carga de saída, um resistor de 10 Ohms está sendo selecionado.
Aqui está o vídeo de simulação para Wilson Current Mirror Technique-
No vídeo, a voltagem programada no coletor Q2 está refletindo no coletor Q3.
Técnica do Espelho Atual Widlar
Outro excelente circuito de espelho de corrente é o Widlar Current Source Circuit, inventado por Bob Widlar.
O circuito é exatamente o mesmo que o circuito de espelho de corrente básico usando dois transistores BJT. Mas há uma modificação no transistor de saída. O transistor de saída usa um resistor de degeneração do emissor para fornecer correntes baixas na saída usando apenas valores moderados do resistor.
Um dos exemplos de aplicação popular da fonte de corrente Widlar é no circuito amplificador operacional uA741.
Na imagem abaixo, um circuito de fonte de corrente Widlar é mostrado.
O circuito consiste em apenas dois transistores T1 e T2 e dois resistores R1 e R2. O circuito é igual ao circuito do espelho de corrente de dois transistores sem o R2. O R2 é conectado em série com o emissor T2 e o aterramento. Este resistor de emissor reduz efetivamente a corrente através do T2 em comparação com o T1. Isso é feito pela queda de voltagem neste resistor, esta queda de voltagem reduz a voltagem do emissor de base do transistor de saída, o que resulta ainda na redução da corrente de coletor em T2.
Analisando e derivando a impedância de saída para o circuito de espelho de corrente Widlar
Como mencionado anteriormente, a corrente em T2 é reduzida em comparação com a corrente T1, que pode ser testada e analisada usando simulações do Cadence Pspice. Vamos ver a construção do circuito Widlar e as simulações na imagem abaixo,
O circuito é construído em Cadence Pspice. Dois transistores com a mesma especificação são usados no circuito, que é 2N2222. As sondas atuais estão mostrando o gráfico atual entre os coletores Q2 e Q1.
A simulação pode ser vista na imagem abaixo.
Na figura acima, o gráfico vermelho, que é a corrente de coletor de Q1, está reduzindo em comparação com Q2.
Aplicando KVL (Lei de Voltagem de Kirchhoff) através da junção base-emissor do circuito, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
O β 2 é para o transistor de saída. É completamente diferente do transistor de entrada, pois o gráfico de corrente no gráfico de simulação mostra claramente que a corrente em dois transistores é diferente.
A fórmula final pode ser extraída da fórmula acima se o β finito for anulado e se alterarmos I C1 como I IN e I C2 como I OUT. Portanto,
Para medir a resistência de saída da fonte de corrente Widlar, o circuito de sinal fraco é uma opção útil. A imagem abaixo é um pequeno circuito de sinal equivalente para a fonte de corrente Widlar.
A corrente Ix é aplicada em todo o circuito para medir a resistência de saída do circuito. Então, de acordo com a lei de Ohms, a resistência de saída é
Vx / Ix
A resistência de saída pode ser determinada pela aplicação da lei de Kirchoff através do solo esquerdo para o R2, é-
Novamente, aplicando a lei de tensão de Kirchhoff através do aterramento R2 ao aterramento da corrente de entrada, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Agora, mudando o valor, a equação final para derivar a resistência de saída do circuito do Espelho de Corrente Widlar é
Portanto, é assim que as técnicas de espelho atuais de Wilson e Widlar podem ser usadas para melhorar os projetos do circuito de espelho de corrente básica.