¿En qué se diferencia este circuito dado con diodo del circuito de espejo de corriente estándar o funcionará de la misma manera? [duplicar]

El primer circuito no utiliza retroalimentación ni intento de emparejamiento alguno (estimación muerta) para rastrear la corriente del diodo en el BJT. Sin embargo, es muy poco probable que la unión pn del diodo esté dopada de manera similar a la unión del emisor de base BJT del transistor con el que está tratando de igualar la corriente. Entonces, cualquier cambio entre ellos resultará en corrientes proporcionalmente diferentes. Si se calientan de manera diferente, la diferencia de corriente será aún mayor.

El segundo circuito compensa la falta de coincidencia entre el diodo y la unión BJT mediante el uso de la resistencia de 100 ohmios en un esquema de degeneración del emisor. Si la corriente en la unión BE es mayor que en el diodo para un voltaje directo dado, entonces la caída de voltaje en R4 será mayor que R3. Esto hace que haya menos caída de voltaje en serie a través de la unión BJT y disminuye la corriente BJT más alta para estar más cerca de la corriente del diodo.

La degeneración del emisor es una forma de retroalimentación que reduce las variaciones en la corriente debido a la falta de coincidencia de las variaciones del proceso o simplemente a las diferentes condiciones de fabricación. Dado que la corriente de unión está relacionada exponencialmente con el voltaje a través de ella, un pequeño desajuste en el voltaje directo puede resultar en cambios proporcionalmente mucho mayores en la corriente. Al agregar la resistencia del emisor/diodo, la respuesta exponencial se suaviza un poco, lo que ayuda a tolerar la falta de coincidencia entre los dos dispositivos. También aumenta la resistencia de salida, lo cual es muy deseable en un espejo actual.

El tercer circuito utiliza tanto el esquema de degeneración del emisor del circuito medio como el BJT. Esto le dará el espejo más cercano de la corriente, ya que los BJT funcionarán de manera más similar entre sí que como un diodo.

He reafirmado los tres ejemplos en el siguiente circuito. Antes de comenzar con un análisis modesto del primer circuito del ejemplo 1, me gustaría recapitular cómo funciona un espejo de corriente. Sólo para entrar en la misma página. Eso está en el circuito de espejo básico más a la derecha:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

En este caso,$R_1$establece la corriente que experimentará la CARGA.$Q_a$El colector de está atado a su base y, por lo tanto, se encuentra aproximadamente a una caída de diodo sobre el suelo. Si el$+V$suministro es lo suficientemente grande, entonces la corriente en$Q_a$el coleccionista será$I_{C_a}= \frac{V-V_{BE}}{R_1}\approx \frac{V}{R_1}$. (Habrá algo de corriente base en ambos$Q_a$y$Q_b$, sin embargo, que resta de la corriente del colector en$Q_a$.) Esta corriente de colector solo se puede admitir si$V_{BE}\approx\frac{n\cdot k\cdot T}{q}\cdot ln\left(\frac{I_{C_a}}{I_S}\right)$. Entonces$R_1$levanta lo suficiente en la base para lograr eso también. Este voltaje de base (referido a tierra) luego impulsa la base de$Q_b$al mismo valor, que por el mismo principio (es decir,$I_{C_b} = I_S\cdot\left(e^{\frac{q\cdot V_{BE}}{n\cdot k\cdot T}}-1\right)$.) Entonces la carga experimentará una corriente muy similar a la establecida por$R_1$.

Una de las buenas características de este espejo actual es que si los dos BJT son del mismo proceso y están en el mismo troquel y en el mismo paquete, probablemente tendrán parámetros operativos muy similares y tendrán casi la misma temperatura también. Desde$V_{BE}$es altamente dependiente de la temperatura (y no por razones que son obvias en las ecuaciones ya mostradas, a pesar de la presencia de$T$en ellos), tenerlos acoplados térmicamente es muy útil.

Uno de los problemas con el espejo básico es algo llamado efecto temprano, que afecta el comportamiento de la corriente del colector en función del voltaje de$V_{CE}$. El$V_{CE}$de$Q_a$es casi constante. Sin embargo, dependiendo de cómo se comporte la propia carga, la$V_{CE}$de$Q_b$puede ser bastante diferente. Así que hay retrovisores actuales mejorados (como el Wilson), que solucionan este problema. Considero que está más allá del alcance aquí.

Una vez más, tenga en cuenta el hecho de que$Q_a$en el espejo básico está conectado por diodos . Y tenga en cuenta que los espejos actuales realmente no se hacen a menudo como diseños discretos. En su lugar, se utilizan pares BJT como los que se encuentran en el BCV62, por ejemplo, si el diseño se va a realizar de forma discreta. Sin embargo, los espejos actuales se encuentran en todas partes en los diseños de circuitos integrados.

Voy a lanzar dos ecuaciones clave (he mencionado una arriba) aquí. Estas son ecuaciones importantes que aparecerán en breve:

$$\begin{align*} \text{(1)}&& I_{\left(V,T\right)} &= I_{S\left(T\right)}\cdot\left[e^{\frac{V}{n\cdot V_T}}-1\right],\;\;\; where\; V_T=\frac{k\cdot T}{q} \\ \text{(2)}&& I_{S\left(T\right)}&=I_{S\left(T_C\right)}\cdot\left[\frac{T}{T_C}\right]^3\cdot e^{\left(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_C}\right)\cdot\frac{-E_g\:\cdot\:q}{k}}\end{align*}$$

$V_T$se conoce como el voltaje térmico (física básica aquí) y se trata de$26mV$a temperatura ambiente.$n$es el coeficiente de emisión y aparecerá muy pronto, a continuación. Con una pequeña señal BJT, generalmente es seguro asumir que es$n=1$.$I_{S\left(T\right)}$es la corriente de saturación del modelo. Esto también saldrá.$E_g$es la brecha de energía efectiva y es otro parámetro del modelo con alguna modesta conexión con la realidad física.$k$es la constante de Boltzmann.$q$es la carga de un electrón.$I_{S\left(T_C\right)}$es la corriente de saturación a alguna temperatura de calibración,$T_C$. [Nota: el poder de$3$en la ecuación (2) es en sí mismo otro parámetro del modelo y puede ser algo diferente de 3.]

La primera de las dos ecuaciones anteriores se puede resolver para$V$como aproximadamente la siguiente ecuación (el término -1 se olvida para hacer eso):

$$V = n\cdot V_T \cdot ln\left(\frac{I_{\left(V,T\right)}}{I_{S\left(T\right)}}\right)$$

Ahora, con eso fuera del camino, veamos el ejemplo 1. Aquí, alguien simplemente decidió tomar el espejo básico y en lugar de desperdiciar esfuerzo usando un BJT conectado a un diodo, simplemente eligió colocar un diodo allí. ¿Por qué no?

Bueno, hay muchas buenas razones.

Una de ellas es que al hacerlo, es muy probable que$Q_1$El colector suministrará una corriente mucho más pequeña que la sugerida por el uso de$R_1$en ese circuito. ¿Por qué? Debido a que la corriente del colector en$Q_1$estará relacionado con la corriente del diodo de la siguiente manera (solo un poco de álgebra modesta para obtenerlo):

$$I_{C\left(Q_1\right)} = I_{S\left(Q_1\right)}\cdot\left[\frac{I_{\left(D_1\right)}}{I_{S\left(D_1\right)}}\right]^{\left(\cfrac{n_{D_1}}{n_{Q_1}}\right)}$$

Entonces, hagamos un ejemplo. vamos a establecer$R_1$de modo que$I_{\left(D_1\right)}=1mA$. Nuestro diodo será un 1N4148 y$Q_1$será un 2N3904. Entonces$n_{D_1}=1.752$,$n_{Q_1}=1$,$I_{S\left(Q_1\right)}=10fA$,$I_{S\left(D_1\right)}=2.52nA$. A partir de esto podemos calcular que$I_{C\left(Q_1\right)}\approx 65\mu A$. ¡Eso ni siquiera está cerca de la corriente del diodo!

(Este cálculo anterior ignora el efecto temprano, que puede tener un impacto significativo).

Otro problema tiene que ver con la pérdida del hecho de que ambos pares en el espejo básico son dispositivos similares y tendrán cambios muy similares en$V_{BE}$en relación con los cambios de temperatura. La ecuación (1) anterior podría sugerir que$V_{BE}$tendría un tempco positivo. Pero la ecuación (2) supera esto profundamente, de modo que un BJT en realidad variará su$V_{BE}$por algún lugar entre$-1.8\frac{mV}{^{\circ}C}$a$-2.4\frac{mV}{^{\circ}C}$. (Un tempco negativo.) Pero en el ejemplo 1, el tempco entre el diodo y el BJT casi seguramente será bastante diferente. Y así, la corriente del colector ya no es estable en relación con las variaciones de temperatura. Incluso si el diodo y el BJT están acoplados térmicamente, está bien. Pierdes un beneficio muy importante.

(En realidad, si quisiera obtener una variación de temperatura, entonces podría hacer esto. Y, de hecho, algo como esto se hace para las referencias de voltaje de banda prohibida, aunque generalmente usan dos BJT con diferentes densidades de corriente para desarrollar una variación positiva con la temperatura como una diferencia entre sus comportamientos, y luego agregar esto al tempco negativo original, para neutralizar la variación de temperatura mientras se mantiene un voltaje fijo [a menudo alrededor de$1.2V$.])

Así que el ejemplo 1 realmente no es tan bueno.

En el ejemplo 2, se agregan dos resistencias a ambos lados. La idea principal aquí es que agregar estas resistencias acercará la corriente del colector a la corriente del diodo porque la diferencia relativa en los voltajes disminuirá. Puede ver esto bastante fácilmente por el hecho de que si el diodo está siendo impulsado por$1mA$, entonces aumentará el voltaje base de$Q_1$por$R_a\cdot 1mA$. Pero si la corriente del colector en$Q_1$me quedé en ese insignificante$65\mu A$mencioné anteriormente, luego la caída a través$R_b$será casi nada. Y eso extenderá el$V_{BE}$de$Q_1$, lo que inducirá una mayor corriente de colector. Esto puede hacer una gran diferencia. Con estos$100\Omega$ejemplos en$1mA$, esto podría aumentar la corriente del colector por un factor de$5-8\times$, haciendo las cosas mucho más cerca. Otra ganancia menor aquí es que el voltaje que caen estas resistencias tiende a empequeñecer la variación de tempco en$D_1$y en el$V_{BE}$de$Q_1$, por lo que también habrá menos preocupación allí. Pero la razón principal es alinear más la corriente del colector con la corriente del diodo.

Todavía es un poco horrible. Pero si está construyendo cosas discretamente, sin molestarse en hacer coincidir las partes y no usar partes BJT de espejo actuales emparejadas, entonces tal vez no importe tanto y pueda salir adelante con esta solución.

El ejemplo 3 le muestra cómo proporcionar una ligera mejora en el espejo básico. Si esto estuviera usando un par de espejos BCV62,$R_a$y$R_b$se trataría menos de hacer coincidir las corrientes del colector y tal vez un poco más de mejorar la respuesta de tempco. Pero con un diseño discreto, cubre todas las bases y hace que funcione razonablemente bien sin tener que clasificar las piezas a mano.

Si va a construir un espejo de corriente discreto y no va a utilizar piezas especializadas como el par BCV62 PNP, que es bastante económico [mucho menos costoso que, digamos, el MAT01] y está diseñado para este propósito, entonces sería una buena idea. para incluir las resistencias del emisor y perder un poco de espacio libre para las ventajas que brindan.