Circuito VR: espejos actuales

La última vez miramos los modelos de Spice de un fregadero actual. No hemos analizado algunos de los problemas con un sumidero simple y, para muchas aplicaciones prácticas, son bastante apropiados. Sin embargo, a menudo verá que se utilizan más electrodomésticos para mejorar las características del fregadero o fuente actual. Un diseño particularmente común es un espejo de corriente que copia la corriente de un dispositivo a otro. Por lo general, el dispositivo que establece la corriente está en una configuración que lo hace muy estable, mientras que el otro dispositivo maneja la corriente de carga.

Por ejemplo, algunos parámetros del transistor varían según el voltaje de salida, lo que provoca pequeñas no linealidades en la salida. Pero si el transistor de configuración tiene un voltaje fijo a través de él, eso no será un problema. El único problema con los esquemas de espejo es que los transistores en cuestión deben coincidir con las características clave. Esta es la razón por la que los espejos suelen ser mejores en los circuitos integrados, donde los transistores son todos más o menos iguales. Puede obtener transistores discretos que tengan varios dispositivos construidos en un sustrato, pero estos no son muy comunes.

Tenga en cuenta que las palabras operativas son "características clave". Algunos parámetros pueden ser diferentes. Por ejemplo, en un IC con MOSFET, no es raro usar un transistor para configurar varias corrientes. Los transistores de salida tendrán diferentes anchos de canal y esto escalará la corriente de referencia hacia arriba o hacia abajo.

Incentivo

Hay muchos lugares donde es útil tener una fuente o un fregadero de corriente. Por supuesto, miramos los controladores LED. La carga de la batería y la galvanización a menudo requieren, o al menos lo desean, una corriente constante. Sin embargo, uno de los usos más comunes es utilizarlos como elementos de polarización para amplificadores de alta precisión.

Cuando almacena un transistor con una resistencia, realmente está asumiendo que comprende cuánto voltaje habrá en la resistencia y, por lo tanto, establezca la corriente. Sin embargo, en la vida real, los parámetros de los circuitos pueden variar entre circuitos e incluso a lo largo del tiempo. Los cambios de voltaje a través de resistencias de polarización cambian las corrientes, y esto cambia la polarización.

Si observa el esquema de lo que hay en un amplificador operativo típico, por ejemplo, verá que se utilizan fuentes y sumideros de corriente en casi todos los transistores de amplificador. Conservaremos los detalles de este tema para otra entrega, pero tenga en cuenta que hay muchos usos para estas fuentes y sumideros actuales.

Transistores

Veamos un espejo de transistores. Este espejo funciona mejor cuando los dos transistores coinciden. Es decir, tienen la misma beta y tendrán la misma caída de Vbe. Cuanto mejor coincidan, incluida la forma en que reaccionan a cosas como cambios de temperatura o voltaje, más precisa será la duplicación actual.

Empecemos por el lado izquierdo. Sabemos que la base de Q1 será de aproximadamente 0,7 V más o menos, porque el emisor está a 0 V. Dado que el colector de Q1 está conectado a la base, la tensión en R1 será la tensión de alimentación inferior a 0,7 V. e hizo una tensión de alimentación de 10,7 V para facilitar las matemáticas. Esto significa que la corriente a través de R1 - la corriente colectora Q1 para todos los propósitos prácticos - debe ser de 10 V / R1. Para que esto sea cierto, la corriente de base debe ser aproximadamente la misma corriente dividida por el transistor beta.

Dado que los transistores son iguales, cualquier corriente que pase a través de la base de Q1 también debe fluir a través de la base de Q2. Y el flujo del colector de Q2 debe ser la beta de tiempo actual base, que coincide con la beta de Q1. Con la misma corriente base y las mismas betas, la corriente que pasa a través de Q2 debe ser exactamente la misma corriente con la que comenzamos: la corriente a través de R1.

Hay dos problemas que surgen con este circuito en la vida real. Primero, ignoro algunos flujos pequeños, por lo que los números disminuirán un poco. Siempre que la beta de los transistores sea alta, el error será muy pequeño. El segundo problema es la beta. El transistor beta varía dentro de un rango bastante amplio incluso para el mismo tipo de dispositivo. Por lo general, diseñamos de tal manera que esas variaciones no importan. En este caso, realmente no nos importa qué es exactamente la versión beta, pero sí nos importa que sean iguales. Si no es así, los resultados estarán inactivos. Puede obtener transistores duales en un caso donde el dispositivo está en una pieza de silicona. Por ejemplo, el SSM2212 tiene dos transistores. Sus valores beta son iguales al 0,5%.

LTSpice

Si prueba la simulación de LTSpice (consulte GitHub si no desea diseñarla usted mismo) verá que los números resultan. Aquí hay una ejecución de ejemplo:

--- Operating Point ---

V(n001): 10.7 voltage
V(vb): 0.7177 voltage
V(p001): 10.4845 voltage
Ic(Q2): 0.0107746 device_current
Ib(Q2): 5.06865e-005 device_current
Ie(Q2): -0.0108253 device_current
Ic(Q1): 0.00988058 device_current
Ib(Q1): 5.10312e-005 device_current
Ie(Q1): -0.00993161 device_current
I(Rload): 0.0107746 device_current
I(R1): 0.0099823 device_current
I(V1): -0.0207569 device_current

Tenga en cuenta que el voltaje base es un poco más de 0,7 V. La corriente a través de R1 es un poco menos de 10 mA y la corriente a través de la carga es un poco más de 10 mA. Por supuesto, es posible que necesite más voltaje del que es posible. Intente cambiar la carga a 20 kΩ en lugar de 20 Ω. También puede cambiar los parámetros del transistor para evaluar el efecto de tener dispositivos desiguales.

Wilson

El flujo a través de Q1 y Q2 es ligeramente diferente. Esto se conoce como error estático. El error estático, en este caso, es bastante grande en términos porcentuales, con la carga viendo 10,8 mA de una corriente de programación de 10,0 mA, redondeando a la décima más cercana. Claramente, eso es un error del 8%: 0.8 dividido por 10, luego multiplicado por 100 para convertirlo en un porcentaje.

Generalmente, un espejo es "mejor" si el porcentaje de error estático es menor. En otras palabras, 1 mA de 2 es terrible, pero 1 mA de 2 A no es tan malo. En este caso 800 μA no suena mal, pero es el 8% del total.

De hecho, hay tres cosas que definen un mejor espejo actual:

  • Minimizar el error estático
  • Maximice la resistencia de salida (o, a la inversa, minimice la conductividad)
  • Minimizar la tensión mínima de funcionamiento
  • Hay varias otras arquitecturas que intentan abordar estos problemas. Uno de los más comunes es el espejo actual de Wilson. Utiliza tres transistores como puede ver en el diagrama.

    Antes de ver cómo funciona, veamos si funciona. Aquí está el resultado de una simulación:

--- Operating Point ---

V(vc1):  1.74067  voltage
V(b1-2):  0.870209  voltage
V(vc3):  9.38067  voltage
V(n001):  10  voltage
Ic(Q3):  0.0412888  device_current
Ib(Q3):  0.000412888  device_current
Ie(Q3):  -0.0417016  device_current
Ic(Q2):  0.0408839  device_current
Ib(Q2):  0.000408839  device_current
Ie(Q2):  -0.0412928  device_current
Ic(Q1):  0.0408839  device_current
Ib(Q1):  0.000408839  device_current
Ie(Q1):  -0.0412928  device_current
I(R1):  0.0412966  device_current
I(Rload):  0.0412885  device_current
I(V1):  -0.0825852  device_current

Aquí, la corriente fija en Ie (Q1) es 41,3 mA. La corriente de salida a través de Rload también es 41,3 mA (nuevamente, redondeando a la décima más cercana, que es 100 microamperios). Si confía en las cifras significativas, la salida está fuera de aproximadamente 4,3 microamperios. Ahora el error es de aproximadamente 0,01%. De hecho, no hará este número por algunas razones. Los transistores deben coincidir perfectamente, a primera vista. Varios otros factores, como el ruido y los gradientes térmicos, también podrían influir en los problemas, y esto no aparecerá en esta simple simulación. Sin embargo, incluso si cae en un factor de 100, será alrededor de un 1% de descuento, que es mucho mejor que el 8% que teníamos antes.

¿Cómo funciona?

No pensaría que agregar más piezas haría que el circuito fuera más preciso. El truco, sin embargo, es que los transistores coinciden. Cuando la corriente ingresa al colector de Q1, también ingresa a la base de Q3. Suponiendo que hay suficiente voltaje para reenviar una polarización Q3, actúa como un seguidor de transmisor. Un aumento de voltaje en la base provoca un aumento correspondiente en el emisor (reducido por una caída de diodo).

Este voltaje alimenta las bases de Q1 y Q2. El efecto neto es que todo se eleva hasta la corriente colectora de Q1 más la corriente base de Q3 coincide exactamente con la corriente de entrada. En ese punto, recuerde que todos los valores beta deben ser iguales, los flujos base son casi iguales y obtiene la excelente compatibilidad que ve en una simulación. Si se altera algún parámetro, el sistema se corregirá solo siempre que los transistores sigan emparejados.

Si tiene algo de experiencia con el cambio de R1 y el voltaje de entrada, verá cómo todo cambia para mantenerse sincronizado.

Entonces el espejo de Wilson es mejor, ¿verdad? Bueno, como con todo, no hay almuerzo gratis. Sí, el error estático cae. Pero el número de componentes crece y se producen más efectos dependientes del ruido y de la frecuencia. Además, el espejo Wilson requiere más voltaje que un circuito equivalente.

Hay otras arquitecturas con diferentes ventajas, incluido un circuito Wilson con cuatro transistores en lugar de tres. Otros circuitos con nombres como Widlar y cascode tienen diferentes ventajas y desventajas.

El diseño de circuitos analógicos es un poco como el ajedrez. Puedes aprender cómo se mueven las piezas con bastante facilidad. Pero dominar la estrategia requiere toda una vida. Los espejos actuales son solo un truco más en el sombrero mágico de los transistores. El verdadero truco consiste en aplicarlos y combinarlos con otros elementos para conseguir el comportamiento deseado.

  • snarkysparky dice:

    Los usé para mover una señal analógica de la referencia de tierra a la referencia de carril + y viceversa. Reglas actuales del espejo de Wilson.

  • nogonnatell dice:

    "Intente cambiar la carga a 20 kΩ en lugar de 20 kΩ". y "Además, el espejo Wilson requiere más voltaje que un circuito equivalente".

    • Al Williams dice:

      Ya atrapé los 20k ... no estoy seguro si hice eso o si fue cuando agregaron la tipografía, pero de cualquier manera. Sin embargo, no estoy seguro de lo que dice sobre el punto 2. Para realizar el mismo rango de rendimiento, debe tener un voltaje más alto en un espejo salvaje que el circuito de vainilla porque hay más caída.

      • Ren dice:

        "No estoy seguro de si hice eso o si fue cuando agregaron la tipografía",

        Hacer ...
        Dices que "ellos" (los malos gobernantes) en realidad ingresan errores tipográficos en los textos de los blogs ...
        Hmmmm.

        • Al Williams dice:

          No, tenemos una gran edición, pero ambos han sido arreglados 😉

          • Elliot Williams dice:

            Mi. Me apuntó. ¡Maldita sea!

      • RP dice:

        Creo que quisiste decir "requiere más voltaje que el circuito de dos transistores más simple".

  • Ted dice:

    La otra gran ventaja de tener ambos dispositivos en un lanzador es que serán simultáneos. Los dispositivos discretos pueden estar en diferentes momentos, haciendo que un Vbe supere al otro y desequilibrando el flujo. En casos extremos, este desequilibrio hace que un dispositivo se caliente aún más, provocando más desequilibrio, y así sucesivamente, provocando una fuga térmica. Esto no es realmente sorprendente, porque básicamente ha conectado dos uniones de diodos emisores de base en paralelo, y conocemos los peligros de los diodos en paralelo.

  • Lucas dice:

    Pregunta: ¿Cómo se modifica la versión básica de dos transistores para multiplicar la corriente por un factor controlable?

    No quiero gastar 10 miliamperios en vano para obtener 10 mA en la salida.

    • micro piedra dice:

      Coloque una resistencia debajo del emisor del transistor de referencia conectado por diodo. Ese es el espejo actual de Widlar.

      Los espejos actuales aprovechan la relación entre Vbe e Ic: aumentar Vbe en aproximadamente 60 mV aumenta Ic en un factor de 10. El transistor conectado por diodo encuentra el Vbe necesario para permitir que una determinada cantidad de Ic pase a través del colector. Conectar ese voltaje a la base de un transistor compatible le da el mismo Vbe, por lo que el Ic también será el mismo.

      Si agrega un voltaje de compensación al diodo Vbe conectado, actúa como un multiplicador de Ic del transistor de salida. Si envía 100uA a través del transistor conectado por diodo, obtiene un Vbe utilizable, entonces agregue 120 mV a ese voltaje, la salida ic del transistor será aproximadamente 100 veces mayor. A 100uA y 120mV, querría una resistencia de 1.2k.

      Widlar utilizó la idea a la inversa, colocando la resistencia debajo del transistor de salida para obtener corrientes de salida de nanoamperios a partir de corrientes de referencia de microamper medio. Sin embargo, el principio funciona.

      • Lucas dice:

        Entonces, las corrientes base se dividen por la diferencia de compensación de voltaje.

        Encontré la misma solución experimentando, pero tengo problemas para adaptarla correctamente. Mira, estoy tratando de crear un generador de envolvente con un tiempo de subida / bajada ajustable entre aproximadamente 10 ms y unos pocos segundos sin forzar la salida de uC o desperdiciar corriente, y estoy tratando de ser inteligente sin agregar otro amplificador operacional a el circuito. La salida también debe ir muy cerca del suelo, pero no necesariamente a Vcc, para ahorrar agregando recorte de compensación.

        El circuito hasta ahora:
        http://tinyurl.com/yd2vzx9q

        • Lucas dice:

          Oh, tenga en cuenta que los potenciómetros en el simulador funcionan en pasos de 1: 200, es decir, el valor más pequeño es de 5 ohmios y el más grande es de 995 ohmios. Es ese último empujón el que marca una gran diferencia y dificulta el circuito.

          Es un pedido elevado solicitar un rango de 200.000x. Lo necesito para funcionar de alguna manera logarítmicamente.

        • Lucas dice:

          Recuerda, estaba un poco equivocado. Es 200x, no 200,000x

          De todas formas. Creo que encontré la solución. En lugar de ajustar los voltajes de compensación, ajusto la relación de las corrientes base. Esto parece funcionar y da una subida / bajada muy bien ajustable, por lo que los potenciómetros lineales tienen un efecto logarítmico:

          http://tinyurl.com/yc58gzua

          • Lucas dice:

            La única pregunta ahora es cómo poner esto en una ecuación para que pueda ver lo que realmente está sucediendo.

            Si en la configuración básica del diodo, agrego resistencia a la base, ¿eso simplemente hace lo mismo? ¿Parece efectivamente un diodo con un voltaje límite más alto?

  • Paul dice:

    Los coeficientes de temperatura de los diodos generan aquí grandes errores si hay una diferencia de temperatura entre los diodos, lo ideal sería colocarlos en el mismo dado.
    Conectar 2 paquetes TO-92 con los lados planos y envolverlos con un trozo de alambre de cobre también ayuda a mantenerlos a la misma temperatura, pero la mayor parte de la conducción de calor sería a través de las patas, no del paquete.

    Para circuitos más prácticos, construya el espejo de corriente con 2 resistencias, un opamp (para comparar voltajes sobre esas resistencias) y MOSfet en la salida del opamp.
    Esto tiene:
    - mejor precisión.
    - Mucho menos dependencia de la temperatura.
    - Aproximadamente la misma cantidad de elementos (incluso puede tener un opamp de respaldo de 4 chips opamp)
    - Conexión de corriente fácil de configurar utilizando diferentes valores para las 2 resistencias.

    También puede comprarlo en un formato preempaquetado. Las pantallas de corriente de gama alta a menudo se basan en este principio.
    La diferencia es que la resistencia de derivación se coloca entre las resistencias al opamp y, por lo tanto, se convierte en parte del circuito de medición.

    • Murray dice:

      Por qué el cable de cobre, solo use un tubo disipador de calor.

  • calcio3000 dice:

    ¡Gracias por el artículo, Al! ¡Continúe con los artículos analógicos!

  • smerrett79 dice:

    Amo esta serie. Es como si alguien me estuviera guiando considerablemente a través del arte de la electrónica, en el que tendría poca fe para sumergirme.

Victoria Prieto
Victoria Prieto

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