Aktuelle Spiegel-BJTs

Bipolar-Junction-Transistor oder BJT-Stromspiegel

Eine häufig verwendete Schaltung, bei der der Bipolartransistor verwendet wird, ist der sogenannte Stromspiegel , der als einfacher Stromregler dient und einer Last über einen weiten Bereich von Lastwiderständen einen nahezu konstanten Strom liefert.

Wir wissen, dass in einem Transistor, der im aktiven Modus arbeitet, der Kollektorstrom gleich dem Basisstrom multipliziert mit dem Verhältnis β ist. Wir wissen auch, dass das Verhältnis zwischen Kollektorstrom und Emitterstrom α genannt wird. Da der Kollektorstrom gleich dem Basisstrom multipliziert mit β ist und der Emitterstrom die Summe der Basis- und Kollektorströme ist, sollte α aus β mathematisch ableitbar sein. Wenn Sie die Algebra durchführen, werden Sie feststellen, dass α =β/(β+1) für jeden Transistor ist.

Wir haben bereits gesehen, wie die Aufrechterhaltung eines konstanten Basisstroms durch einen aktiven Transistor zur Regulierung des Kollektorstroms gemäß dem β-Verhältnis führt. Nun, das α-Verhältnis funktioniert ähnlich:Wenn der Emitterstrom konstant gehalten wird, bleibt der Kollektorstrom auf einem stabilen, geregelten Wert, solange der Transistor genügend Kollektor-Emitter-Spannungsabfall hat, um ihn in seinem aktiven Modus zu halten. Wenn wir also einen Emitterstrom durch einen Transistor konstant halten können, regelt der Transistor den Kollektorstrom auf einen konstanten Wert.

Denken Sie daran, dass der Basis-Emitter-Übergang eines BJT nichts anderes als ein PN-Übergang ist, genau wie eine Diode, und dass die „Diodengleichung“ angibt, wie viel Strom bei einem Durchlassspannungsabfall und einer Übergangstemperatur durch einen PN-Übergang fließt:

Diodengleichungsformel

Wenn sowohl die Sperrschichtspannung als auch die Temperatur konstant gehalten werden, ist der PN-Sperrschichtstrom konstant. Wenn wir diesem Grundgedanken folgend die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors konstant halten, dann ist sein Emitterstrom bei konstanter Temperatur konstant. Betrachten Sie die Beispielabbildung unten

Konstante VBE ergibt konstantes IB, konstantes IE und konstantes IC.

Dieser konstante Emitterstrom, multipliziert mit einem konstanten α-Verhältnis, ergibt einen konstanten Kollektorstrom durch R_load ob genügend Batteriespannung vorhanden ist, um den Transistor bei jeder Änderung der R_Last im aktiven Modus zu halten Widerstand.

Um eine konstante Spannung über dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors aufrechtzuerhalten, verwenden Sie eine in Durchlassrichtung vorgespannte Diode, um eine konstante Spannung von ungefähr 0,7 Volt herzustellen, und schalten Sie sie parallel zum Basis-Emitter-Übergang wie in der Abbildung unten.

Der Diodenübergang 0,7 V hält eine konstante Basisspannung und einen konstanten Basisstrom aufrecht.

Der Spannungsabfall an der Diode wird wahrscheinlich nicht genau 0,7 Volt betragen. Die genaue Höhe der daran abfallenden Durchlassspannung hängt vom Strom durch die Diode und der Temperatur der Diode ab, alles in Übereinstimmung mit der Diodengleichung. Wenn der Diodenstrom erhöht wird (z. B. durch Verringerung des Widerstands von R_bias ), wird sein Spannungsabfall leicht ansteigen, wodurch der Spannungsabfall am Basis-Emitter-Übergang des Transistors erhöht wird, wodurch der Emitterstrom um den gleichen Anteil erhöht wird, vorausgesetzt, der PN-Übergang der Diode und der Basis-Emitter-Übergang des Transistors sind gut aufeinander abgestimmt andere. Mit anderen Worten, der Emitterstrom des Transistors entspricht zu jedem Zeitpunkt dem Diodenstrom. Wenn Sie den Diodenstrom ändern, indem Sie den Widerstandswert von R_bias . ändern , dann folgt der Emitterstrom des Transistors, da der Emitterstrom durch dieselbe Gleichung wie der der Diode beschrieben wird und beide PN-Übergänge denselben Spannungsabfall erfahren.

Denken Sie daran, dass der Kollektorstrom des Transistors fast gleich seinem Emitterstrom ist, da das α-Verhältnis eines typischen Transistors fast eins ist (1). Wenn wir den Emitterstrom des Transistors steuern, indem wir den Diodenstrom mit einer einfachen Widerstandseinstellung einstellen, dann haben wir auch die Kontrolle über den Kollektorstrom des Transistors. Mit anderen Worten, Kollektorstromimitationen oder Spiegel , Diodenstrom.

Strom durch Widerstand R_load ist daher eine Funktion des durch den Vorspannungswiderstand eingestellten Stroms, wobei die beiden nahezu gleich sind. Dies ist die Funktion der Stromspiegelschaltung:den Strom durch den Lastwiderstand durch bequemes Einstellen des Wertes von R . zu regulieren _{Voreingenommenheit} . Der Strom durch die Diode wird durch eine einfache Gleichung beschrieben:Versorgungsspannung minus Diodenspannung (nahezu konstanter Wert), geteilt durch den Widerstand von R_bias .

Um die Eigenschaften der beiden PN-Übergänge (dem Diodenübergang und dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors) besser anzupassen, kann ein Transistor anstelle einer normalen Diode verwendet werden, wie in Abbildung unten (a) gezeigt.

Stromspiegelschaltungen.

Da die Temperatur ein Faktor in der „Diodengleichung“ ist und wir möchten, dass sich die beiden PN-Übergänge unter allen Betriebsbedingungen identisch verhalten, sollten wir die beiden Transistoren auf genau der gleichen Temperatur halten. Dies ist leicht mit diskreten Komponenten zu bewerkstelligen, indem die Zwei-Transistor-Gehäuse Rücken an Rücken verklebt werden. Werden die Transistoren zusammen auf einem einzigen Chip aus Silizium gefertigt (als sogenannter integrierter Schaltkreis , oder IC ) sollten die Designer die beiden Transistoren nahe beieinander platzieren, um die Wärmeübertragung zwischen ihnen zu erleichtern.

Die in der Abbildung oben (a) mit zwei NPN-Transistoren gezeigte Stromspiegelschaltung wird manchmal als stromsenkend bezeichnet Typ, weil der Regeltransistor den Strom von der Last nach Masse zieht („senkender“ Strom), anstatt ihn dazu zu zwingen, von der positiven Seite der Batterie zur Last zu fließen („liefernder“ Strom). Wenn wir eine geerdete Last und eine Stromquelle wünschen? Spiegelschaltung, können wir PNP-Transistoren wie in Abbildung oben (b) verwenden.

Während Widerstände in ICs hergestellt werden können, ist es einfacher, Transistoren herzustellen. IC-Designer vermeiden einige Widerstände, indem sie Lastwiderstände durch Stromquellen ersetzen. Eine Schaltung wie ein Operationsverstärker, die aus diskreten Komponenten aufgebaut ist, hat einige Transistoren und viele Widerstände. Eine integrierte Schaltungsversion hat viele Transistoren und einige Widerstände. In der Abbildung unten steuert eine Spannungsreferenz Q1 mehrere Stromquellen:Q2, Q3 und Q4. Wenn Q2 und Q3 flächentreue Transistoren sind, sind die Lastströme I_load wird gleich sein. Wenn wir eine 2·I_Last . brauchen , parallel Q2 und Q3. Noch besser ist es, einen Transistor herzustellen, sagen wir Q3 mit der doppelten Fläche von Q2. Der Strom I3 ist dann das Doppelte von I2. Mit anderen Worten, der Laststrom skaliert mit der Transistorfläche.

Mehrere Stromspiegel können von einer einzigen (Q1 - Rbias) Spannungsquelle als Slave betrieben werden.

Beachten Sie, dass es bei mehreren Stromspiegeln üblich ist, die Basisspannungslinie direkt durch die Transistorsymbole zu ziehen! Oder im Fall von Q4 in der obigen Abbildung sind zwei Stromquellen einem einzelnen Transistorsymbol zugeordnet. Die Lastwiderstände sind fast unsichtbar gezeichnet, um zu betonen, dass diese in den meisten Fällen nicht vorhanden sind. Die Last ist oft eine andere (mehrere) Transistorschaltung, beispielsweise ein Emitterpaar eines Differenzverstärkers, zum Beispiel Q3 und Q4 in „Ein einfacher Operationsverstärker“, Ch 8. Oft ist die Kollektorlast eines Transistors kein Widerstand aber ein aktueller Spiegel. Zum Beispiel ist die Kollektorlast von Q4 Kollektor, Ch 8 ein Stromspiegel (Q2).

Ein Beispiel für einen Stromspiegel mit mehreren Kollektoren finden Sie unter Q13 im Operationsverstärker Modell 741, Ch 8. Die Stromspiegelausgänge von Q13 ersetzen Widerstände als Kollektorlasten für Q15 und Q17. Wir sehen aus diesen Beispielen, dass Stromspiegel als Lasten gegenüber Widerständen in integrierten Schaltungen bevorzugt werden.

RÜCKBLICK:

• Ein aktueller Spiegel ist eine Transistorschaltung, die den Strom über einen Lastwiderstand regelt, der Regelpunkt wird durch eine einfache Widerstandseinstellung eingestellt.
• Transistoren in einer Stromspiegelschaltung müssen für einen präzisen Betrieb auf derselben Temperatur gehalten werden. Wenn Sie diskrete Transistoren verwenden, können Sie dazu deren Gehäuse zusammenkleben.
• Stromspiegelschaltungen können in zwei Grundvarianten gefunden werden:die aktuelle senkende Konfiguration, bei der der Regeltransistor die Last mit Masse verbindet; und das aktuelle Sourcing Konfiguration, bei der der Regeltransistor die Last mit dem Pluspol der Gleichstromversorgung verbindet.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Aktive Lasten in Verstärkerschaltungen Arbeitsblatt
• Arbeitsblatt Differentialtransistorverstärker