مدارهای آنالوگ

مدارهای آنالوگ: انواع آینه جریان و کاربرد آن

مدارهای آنالوگ: انواع آینه جریان و کاربرد آن

آینه جریان یک بلوک ساختاری مهم آنالوگ است که در جاهایی همچون بایاس DC و پردازش سیگنال حالت فعلی کاربرد دارد.

در این مقدمه با آینه جریان، از جمله نحوه اجرای این مدار در IC های آنالوگ توضیح می دهیم و از آن ها برای شما می گوییم.

این بلوک در انواع مختلفی از تجسمات وجود دارد که ما در زیر به آن ها اشاره کرده ایم:

  • آینه پایه یا Basic
  • آینه بتا همراه با کمک کننده یا Beta with helper
  • آینه جریان Widlar
  • آینه ویلسون

ما با نگاهی به برخی خصوصیات اساسی ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT) شروع خواهیم کرد.

پیش زمینه ای از خصوصیات BJT

برای تنظیم پیش زمینه، شکل ۱ را در نظر بگیرید که ویژگی های iC-vCE یک NPN BJT را برای درایوهای مختلف ولتاژ پایه دهنده VBE نشان می دهد.

مدارهای آنالوگ

همانطور که می بینید، برای vCE ≥ ۰.۲ ولت، همه منحنی ها در واقع مسطح هستند، که نشانگر توانایی BJT در غرق شدن جریان به طور مستقل از ولتاژ جمع کننده است تا زمانی که از این ولتاژ از پایین آمدن از حدود ۰.۲ ولت جلوگیری شود.

حتی اگر VBE در ۱۰ مرحله برابر با ۱۰ میلی ولت افزایش یابد، میزان iC در مد هندسی افزایش می یابد.

مدارهای آنالوگ

جایی که Is یک عامل مقیاس گذاری به نام جریان اشباع است و VT یکی دیگر از فاکتورهای مقیاس گذاری به نام ولتاژ حرارتی است، به خاطر اینکه متناسب با دمای مطلق T است.

برای یک BJT کم مصرف، معمولا در محدوده femtoampere است (۱ fA = 10– ۱۵ الف)

علاوه بر این، VT = 26 میلی ولت در دمای اتاق است که در شکل ۲a نمودار PSPice معادله (۱) را برای BJT با Is = 2 fA نشان می دهد (این مقدار به گونه ای انتخاب شده است که با vBE = 700 میلی ولت BJT دقیقا iC = 1.0 میلی آمپر را نشان می دهد).

 

مدارهای آنالوگ

معکوس، معادله شماره ۱ به شرح زیر است

مدارهای آنالوگ

برای ترسیم vBE به عنوان تابعی از iC از طریق PSpice، ما پایانه های پایه و کلکتور را به هم متصل می کنیم تا BJT را در آنچه که حالت دیود نامیده می شود کار کنیم و سپس یک جریان آزمایشی iT اعمال می کنیم، همانطور که در شکل ۲b نشان داده شده است.

آینه جریان

آینه اصلی، که در شکل ۳a نشان داده شده است، از یک جفت BJT سازگار با هم ساخته شده و یا در مجاورت نزدیک با یکدیگر ساخته شده است تا ویژگی های آن ها (Is و VT) دما و زمان یکدیگر را ردیابی کنند.

مدارهای آنالوگ

با فرض جریان های ناچیز پایه، توجه می کنیم که Q1 متصل به دیود با تولید یک قطره ولتاژ vBE مطابق معادله (۲) نشان داده شده در بالا، به جریان ورودی iI پاسخ می دهد.

از آنجا که Q2 همان vBE Q1 را تجربه می کند، باید معادله (۱) iC2 = iC1 را داشته باشیم، بنابراین Q2 آینه Q1 را دارد. با فرض جریان های ناچیز پایه، ما بنابراین iO = iI در عمل داریم.

در مقایسه با شکل ۱b، نمای گسترده شکل ۳b نشان می دهد که منحنی در منطقه FA دارای شیب غیر صفر است.

این ناشی از به اصطلاح اولیه اثر است و در نتیجه نتایج پیش بینی همه منحنی ها در یک نقطه مشترک در محور منفی بنام Early Voltage VA، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است، با هم برخورد می کنند.

مدارهای آنالوگ

شیب منحنی iC در منطقه FA به عنوان ۱ / ro، متقابل مقاومت مشخص می شود. با استفاده از استدلال هندسی ساده در شکل ۴، شیب (= ۱ / ro) داریم have IC / VA، یا

مدارهای آنالوگ

جایی که IC نمایانگر جریان در لبه سمت چپ منطقه FA است.

PSpice به عنوان مثال نشان داده شده از VA = 60 V استفاده می کند، بنابراین برای IC = 1 میلی آمپر ما RO / 60/10 = 60 کیلوΩ داریم.

این بدان معناست که معادل نورتون که در بار مشاهده می شود، یک سینک جریان ۱ میلی آمپر با مقاومت موازی ۶۰ کیلو گرم است که برای هر افزایش ولت در VO، RO مسئول افزایش iO از (۱ ولت) / (۶۰ کیلوگرم) = ۱۶.۷ میکروگرم است.

آینه جریان به کمک بتا

اکنون می خواهیم نگاهی دقیق تر به جریان های پایه آینه اصلی شکل ۳a بیندازیم.

به خوبی قابل رویت است که iB جریان فعلی BJT با iC = iC / ß مربوط به جریان فعلی iC است، جایی که ß سود فعلی BJT است. به طور معمول، ۱۰۰ ß، اگرچه BJT های مدار یکپارچه ممکن است ۲۵۰ ß. داشته باشند. با توجه به شکل ۳a، KCL در گره جمع کننده Q1 iI = iC1 + iB1 + iB2 ≈ iC1 + 2iB1 = iC1 + 2iC1 / ß = iC1 (1 + 2 / ß)، یا

مدارهای آنالوگ

نشان می دهد که iC1 (و از این رو iC2، با عمل آینه) کمی کمتر از iI خواهد بود. به عنوان مثال، با ß = ۱۰۰، iC1 و بنابراین iO (= iC2 = iC1) حدود ۹۸٪ از iI خواهد بود. اگر این خطا غیرقابل تحمل باشد، می توانیم از کمک سوم BJT Q3 برای تهیه iB1 و iB2 به روش شکل ۵a استفاده کنیم.

مدارهای آنالوگ

این مسئله خطای جریان در گره جمع کننده Q1 را با عاملی در حدود ß کاهش می دهد، بنابراین معادله (۴) هنوز هم نگه داشته است، اما با ß۲ جایگزین ß می شود.

آینه جریان Widlar

در برنامه های بایاس DC، اکثر اوقات لازم است که یک iO فعلی << iI تولید شود.

مدار شکل ۵b، که به خاطر مخترع آن باب ویدلار نامگذاری شده است، با استفاده از مقاومت R در سریال با Q2 به این هدف می رسد تا افت ولتاژ پایه-QE Q2 را کاهش دهد.

مدارهای آنالوگ

در این ارتباط، به شما کمک می کند تا قوانین زیر را به خاطر بسپارید تا مهندسین بتوانند در این مسئله تمرین های خود را انجام دهند.

  • برای بالا بردن (پایین آوردن iC) توسط اکتاو، باید vBE را با ۱۸ میلی ولت بالا (پایین تر از ۱۸ e 26 ± ۲۶ raise) بالا ببرید.
  • برای بالا بردن (پایین آوردن) iC در یک دهه، باید vBE را با ۶۰ میلی ولت بالا (پایین تر) (زیرا ۶۰/۲۶ ۱۰ ۱۰ raise).

به عنوان مثال، فرض کنید که ما iI = 1 mA (= 1000 µA) داریم و می خواهیم iO = 20 میکروگرم باشد. ما می توانیم از ۲۰ به عنوان تقسیم ۱۰۰۰ به ۱۰ به ۱۰۰ فکر کنیم، ۱۰۰ را به ۱۰ تقسیم کنیم تا ۱۰ بگیریم و بعد ۱۰ را به ۲ بدیم تا ۲۰ بدست بیاوریم.

بنابراین، R باید (۶۰ + ۶۰–۱۸) mV = 102 کاهش دهد.

ولتاژ باید چنین باشد، R = (102 mV) / (20 µAA) = 5.1 کیلوΩ.

آینه جریان ویلسون

برنامه های کاربردی وجود دارد که مطلوب است آینه جریان (الف) از خطای بتا معادله (۴) خارج شود و (ب) مقاومت خروجی بسیار بالاتری نسبت به RO معادله (۳) از خود نشان دهد، به گونه ای که می تواند یک منبع جریان ایده آل یا سینک را نزدیک کند.

آینه شکل ۶a که برای مخترع خود G. R. Wilson نامگذاری شده است، تنها با یک ترانزیستور Q3 اضافی (دو پرنده با یک سنگ) به هر دو هدف می رسد. این مدار ظریف را می توان بطور سیستماتیک تجزیه و تحلیل کرد، اما در اینجا ما باید خود را به یک بحث شهودی محدود کنیم.

مدارهای آنالوگ

توجه داشته باشیم که Q3 همان جریان Q2 را به دلیل اینکه در سری هستند قرار دارد و Q1 نیز به نوبه خود جریان Q2 را آینه می کند، بنابراین، نیمه و چپ و راست مدار دارای جریان های یکسان است.

این امر با این واقعیت تایید می شود که Q3 جریان پایه خود را از نیمه چپ می کشد، در حالی که Q1 جریان پایه خود را از نیمه سمت راست، با روشی مخصوص تحویل می گیرد.

حال اگر سعی کنیم VO را با استفاده از ۱ ولت افزایش دهیم، Early Effect باعث می شود iC3 با (۱ V) / ro افزایش یابد.

این باعث افزایش vBE2 توسط معادله شماره ۲ می شود و این به نوبه خود باعث افزایش iC1 توسط معادله شماره ۱ می شود.

Q1 با کمی رسانایی تر شدن، اجازه می دهد جریان پایه کمتری به Q3 وارد شود و دومی را مجبور کند که عملکرد کمی کمتری داشته باشند.

به عبارتی دیگر، هر تلاشی برای افزایش iC3 با واکنشی مواجه می شود که تمایل به حذف چنین تلاشی دارد.

در حقیقت، این یک بازخورد منفی است و صاف بودن منحنی iO از شکل ۶b ویژگی عالی آینه ویلسون را تایید می کند.

آینه جریان کاری

جفت Q10 – Q11 یک سینک کنونی Widlar است.

جریان تعصب برای Q11 متصل به دیود توسط R5 ایجاد شده است که در واقع یک جز دو منظوره است زیرا Q12 متصل به دیود را نیز مغرض می کند.

پایه اصلی CM Q12 – Q13 به گونه ای طراحی شده است که دو جریان را به طور مستقل تامین کند، یکی تامین یک عملکرد بار فعال برای تقویت کننده Q17 آمپلی فایر و دیگری برای تعصب مدار مرحله خروجی است.

فرستنده فعلی ورودی Q13 توسط دو جمع کننده Q13 به طور جداگانه هدایت می شود، درصدی که توسط مناطق جمع کننده تعیین می شود.

جفت Q8 – Q9 CM اساسی دیگری را تشکیل می دهد، که در ارتباط با سینک Widlar Q10 – Q11، برای تامین جریان تعصب DC برای دو نیمه مرحله ورودی طراحی شده است.

آیا می توانید CM های دیگر را شناسایی کرد؟

بله در واقع، این جفت Q23 است – Q24. در شرایط عملیاتی معمولی، این BJT ها خاموش هستند زیرا Q21 خاموش است. اما، در صورت بروز شرایط اضافه بار در خروجی، Q21 ادامه خواهد یافت و Q24 را نیز روشن می کند. با عمل آینه، Q23 Q16 جریان اصلی را روشن کرده تا قدرت اتلاف در مرحله خروجی را محدود کند.

در مرحله بعدی، اجازه دهید نگاهی به CFA شکل ۸ بیندازیم.

در این مدار از یک جفت Wilson CMs، Q5 – Q6 – Q7 و Q8 – Q9 – Q10 استفاده می شود تا به ترتیب جریان های جمع کننده Q1 و Q2 را تکرار کنند و تفاوت آن ها را در پایانه های پایه مشترک Q13 و Q14 ارائه دهند.

به نوعی، CM بالایی به عنوان یک بار فعال برای CM پایین عمل می کند، همانطور که CM پایین تر به عنوان یک بار فعال برای CM بالایی عمل می کند.

علاوه بر این، مدار بایاس DC از منابع فعلی I3 و I13 و I4 و I14 تشکیل شده است که برای سادگی به شکل نمادین نشان داده شده اند. اما اگر بخواهیم به بررسی دقیق تر طرحری بپردازیم، متوجه می شویم که این منابع به شکل CM نیز اجرا می شوند.

نتیجه

در این مقاله به طور مختصر عملکرد BJT مورد بررسی قرار گرفت، سپس چهار نوع آینه جریان BJT مورد بررسی قرار گرفت شامل آینه اولیه، آینه با کمک بتا، آینه جریان Widlar و آینه جریان ویلسون بود.

در بخش پایانی، ما نمونه هایی از چگونگی ترکیب آینه جریان در مدارهای مجتمع آنالوگ را برای شما توضیح دادیم.

در آینده برای شما در رابطه با آینه جریان بیشتر توضیح خواهیم داد و مثال های بیشتری از آینه جریان برای شما خواهیم گفت که می توانید در پروژه های روزمره خود از آینه جریان بیشتر استفاده کنید.

پاسخی را بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *