~40 uA sumidero de corriente... ¿qué topología de espejo actual usar?

Necesito hundir 20-60 microamperios constantes desde el terminal de entrada inversora de un amplificador operacional para aumentar un poco el voltaje de salida. Este es un circuito de bastante baja velocidad, con poca potencia espectral por encima de 2 MHz. La resistencia de retroalimentación que estoy usando es de 2000 ohmios, por lo que esto traduciría la salida hacia arriba en 40-120 mV. La traducción de voltaje exacta que necesito depende de algunas mediciones que aún tengo que hacer, pero estoy seguro de que estará en este rango. Tampoco estoy dispuesto a cambiar la impedancia del circuito del amplificador operacional.

Creo que un espejo de corriente es la técnica adecuada para hundir esta corriente de 20-60 uA, pero no estoy seguro de qué topología sería la mejor para mi aplicación específica. Espero una precisión superior al 5% de la corriente de salida.

Aquí está el circuito que tengo, con el espejo actual actualmente configurado como fuente Widlar. El amplificador operacional en la parte superior es el que necesita el sumidero actual. En este circuito, In- e In+ se amplifican uno al otro con una ganancia de 3. Es como los dos amplificadores operacionales de entrada de un amplificador de instrumentación de tres amplificadores. Luego, las dos salidas se envían a un comparador. Estoy tratando de extraer solo un poco de corriente del nodo de entrada de inversión del amplificador operacional superior para cambiar la salida de entrada hacia arriba. No quiero usar solo una resistencia para hacerlo ... arruinaría el rechazo de modo común de todo. Se supone que In- está en el rango de 2.0-2.5V, y no necesito un gran rechazo de modo común, pero detesto arruinar el CMRR de esa manera colgando una resistencia allí, sin importar cuán pequeño sea. disipar la corriente que estoy tratando de lograr.

circuito

Todas las resistencias en este circuito de amplificador operacional tienen una tolerancia del 1% (ya que son baratas), pero estoy tratando de evitar el uso de transistores NPN combinados (ya que son caros y algo anticuados). Por lo tanto, creo que la mala coincidencia de los transistores en el espejo actual será el mayor contribuyente al error en la corriente de salida. Pensé que usaría un tipo 2N3904 dual (no coincidente).

¿Qué topología de espejo actual debo usar para lograr este 5% de precisión? 20 microamperios suena pequeño, así que pensé que la fuente de corriente de Widlar podría ser apropiada, pero el circuito de Widlar obviamente excluye el uso de resistencias de degeneración de emisor dual que me gustaría incluir para compensar cualquier diferencia en la ganancia de los transistores no emparejados.

Entonces, ¿cuál debo probar y por qué?

  • Si hago la fuente Widlar, con solo una resistencia de degeneración de un solo emisor, ¿es probable que produzca un 5% de precisión con 2N3904 no coincidentes?
  • ¿Debería probar el espejo de corriente ordinario, con resistencias de degeneración de emisor iguales en cada NPN, y luego una resistencia de colector más grande para sintetizar la corriente de 20 uA? Este es un circuito de 5V, por lo que la resistencia del colector sería del orden de 250 kohms. Podría disminuir la impedancia general del circuito, pero ya es algo baja.
  • ¿O debería probar algún enfoque híbrido donde haya resistencias de degeneración de emisor dual pero de diferentes valores? ¿Alguien puede referirme a algún material sobre este caso?
Esto parece ser un gran problema para cambiar ligeramente el punto de polarización. ¿Puedes agregar más detalles sobre el problema que estás resolviendo? Podría hacer una fuente de corriente constante bastante buena usando un NPN con una resistencia de emisor, y simplemente polarizándolo para configurar la corriente del emisor a lo que desea.
¿Está familiarizado con el diseño de fuente actual del Dr. Wyatt? Consigue un coeficiente de temperatura bajo y utiliza resistencias de aluminio de 3333 ppm/C como compensación de primer orden. Pero muchas resistencias están cerca de esa área, incluidas las de carbono, cobre, oro y plata; cos temporales similares. Es de alta velocidad, preciso y con casco. Necesita cuatro BJT: 2 NPN, 2 PNP. Y funciona en un amplio rango de Vcc. Es una fuente/sumidero de 13.5uA.
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Si la entrada no inversora tiene un voltaje fijo, tal vez solo pueda usar una resistencia. De lo contrario, creo que es mejor que hable sobre la impedancia de salida que espera a 2MHz.
Como señaló @SpehroPefhany y agregaría a … sus suministros probablemente estén regulados a más del 5%, por lo que una sola resistencia de compensación es todo lo que necesita para proporcionar una corriente de compensación. Si sus suministros no están lo suficientemente bien regulados, use un TLV431 para crear un voltaje regulado (entonces necesitaría dos resistencias, por supuesto).
Desafortunadamente, la entrada no inversora no tiene un voltaje fijo, por lo que no puedo usar una resistencia. El circuito en cuestión es básicamente los dos amplificadores de entrada de un amplificador de instrumentación de tres amperios, pero sin el tercer amplificador de diferencia. El circuito amplifica los voltajes de entrada alejándolos de su voltaje de modo común, que normalmente es de 2,5 V. Una de estas dos señales necesita un pequeño empujón hacia arriba. Entonces, podría usar una sola resistencia, pero luego estaría cambiando la ganancia en lugar de traducir hacia arriba en voltaje, y por lo tanto, habría problemas de rechazo de modo común concomitantes.

Respuestas (1)

Se me ocurrió un diseño que me satisface lo suficiente como para construirlo y probarlo... tiene un enfoque híbrido donde hay resistencias de degeneración de emisor dual pero de diferentes valores. Aquí hay una imagen del circuito en un pequeño accesorio de prueba en LTspice:circuito fuente de corriente

La idea del dispositivo de prueba es que debe extraer alrededor de 60 microamperios de una fuente de 2000 ohmios. No simulé ninguno de los amplificadores operacionales, solo esta cosa particular de la red de polarización. Entonces, el disipador de corriente termina reduciendo el voltaje en el nodo de salida entre R3 y R5, en lugar de aumentar el voltaje en la salida del amplificador operacional, pero debería ser lo suficientemente similar.

Aquí lo conecté a una fuente de voltaje "PULSE" que va de 2.5V a 2.4V... Esto es similar a la entrada de mi sistema. Realmente solo me importa mucho la precisión de CC, ya que esta es una buena prueba. Soy consciente de lo horribles que son las formas de onda de PULSO por partes, pero pensé que estaría bien. Aquí hay una captura de las formas de onda de voltaje y corriente de salida. Muestra la forma de onda de voltaje del pulso de entrada en la parte superior y la misma forma de onda de voltaje en el nodo después de la resistencia de 2000 ohmios (es decir, entre R5 y R3) debajo. También se muestra la forma de onda actual a través de R3: ¡ formas de onda de prueba de baja velocidad de sumidero de corrienteNo está mal! Creo que esta bien.

Ahora déjame poner una ventaja de 10 ns y ver qué pasa. No espero tener nada tan rápido, pero intentemos solo por diversión: bueno, está mal básicamente en un 50 % en el pico, y el error dura como más de 50 nanosegundos, pero evidentemente suaviza el borde en el nodo de salida y le da esta apariencia tipo RC. ¡Estoy bien con esto! Mi circuito es muy lento.dispositivo de prueba de sumidero de corriente de alta velocidad sumidero de corriente de alta velocidad formas de onda de prueba de alta velocidad

Ahora, con las resistencias de degeneración de emisor dual, creo que la precisión será lo suficientemente buena con el paquete 2N3904 dual no emparejado, aunque no sé cómo probar esto con LTspice. Lo mejor de todo es que tenía resistencias de 47, 470 y 30k ohmios en mis "partes estándar" (así como el 2N3904 dual), por lo que puedo implementar este circuito a un costo muy bajo en el sistema más grande. ¡Excelente! Lo probaré y espero que funcione bien. Intentaré probarlo primero con 2N3904 separados que elegiré para que coincidan particularmente mal . Con suerte, la precisión de la corriente de salida seguirá estando bien en este caso. Si es así, sabré que será tan bueno si uso el 2N3904 dual.