Stromspiegel in Bipolar-Transistorschaltungen verstehen

Bipolarer Transistor (BJT) Stromspiegel

Ein Stromspiegel ist eine der am häufigsten verwendeten BJT-Schaltungen. Er fungiert als einfacher, zuverlässiger Stromregler, der einen nahezu konstanten Strom durch eine Last über einen weiten Bereich von Lastwiderständen aufrechterhält.

Im aktiven Modus entspricht der Kollektorstrom (I_C) dem Basisstrom (I_B) multipliziert mit der Stromverstärkung β des Transistors. Das Verhältnis von Kollektor- zu Emitterstrom ist α, das aus β als α = β/(β+1) abgeleitet werden kann. Diese Beziehung zeigt, dass genau so ein fester Basisstrom I_C festlegt, ein fester Emitterstrom I_C festlegt, solange der Transistor im aktiven Bereich bleibt.

Die Basis-Emitter-Strecke eines BJT verhält sich wie eine PN-Diode. Die bekannte Diodengleichung sagt den Strom der Strecke für eine gegebene Vorwärtsspannung und Temperatur voraus:

Diodengleichung Formel

Wenn Vorwärtsspannung und Temperatur konstant gehalten werden, ist der PN-Streckenstrom konstant. Folglich erzwingt das Halten einer konstanten Basis-Emitter-Spannung (V_BE), dass der Emitterstrom (I_E) und damit der Kollektorstrom (I_C) konstant bleiben, vorausgesetzt, der Transistor hat ausreichend V_CE, um im aktiven Modus zu bleiben.

Um V_BE stabil zu halten, wird eine vorwärtsgepolte Diode parallel zur Basis-Emitter-Strecke geschaltet, wie gezeigt:

Die Diode etabliert einen ungefähren 0,7-V-Abfall, der die Basisspannung – und damit Basis-, Emitter- und Kollektorstrom – stabil hält. Die tatsächliche Spannung variiert leicht mit Strom und Temperatur, aber sowohl die Diode als auch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors teilen die gleiche PN-Übergangsphysik, sodass der Emitterstrom dem Diodestrom eng folgt. Die Anpassung des Bias-Widerstands (R_bias) ändert den Diodestrom, der direkt den Emitter- und Kollektorstrom festlegt.

Da α für einen typischen BJT nahe eins liegt, spiegelt der Kollektorstrom im Wesentlichen den Diodestrom wider. Der Laststrom durch R_load wird somit durch den Bias-Widerstand bestimmt, was den Stromspiegel zu einer praktischen Methode macht, Laststrom mit einem einzigen Widerstand zu regeln.

Für eine engere Anpassung der beiden PN-Übergänge kann ein zweiter Transistor die Diode ersetzen, was ein Paar angepasster Transistoren in einer Stromspiegel-Konfiguration ergibt:

Temperaturabgleich ist kritisch, da die Diodengleichung temperaturabhängig ist. Diskrete Bauteile können Rücken an Rücken verklebt werden, während integrierte Schaltungen die angepassten Transistoren nah beieinander platzieren, um gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten.

Die mit zwei NPN-Transistoren gezeigte Topologie (Abb. a) ist ein stromsenkender Spiegel: Der regelnde Transistor zieht Strom von der Last zur Masse. Wenn eine geerdete Last erforderlich ist, kann ein stromliefernder Spiegel mit PNP-Transistoren (Abb. b) verwendet werden.

Im IC-Design werden Widerstände oft durch Transistor-basierte Stromquellen ersetzt. Eine einzelne Spannungsreferenz kann mehrere Stromspiegel treiben: Q2, Q3 und Q4 teilen sich den gleichen Referenzstrom, und ihre Lastströme skalieren mit der Transistorfläche. Ein Transistor mit doppelter Fläche liefert beispielsweise den doppelten Strom, wodurch Parallelwiderstände entfallen.

Stromspiegel werden häufig als Lastbauelemente in integrierten Verstärkern eingesetzt. Im 741 Op-Amp ersetzt beispielsweise Q13s Spiegel den ohmschen Lastwiderstand von Q15 und Q17, was zeigt, wie Spiegel in hochintegrierten ICs Widerstände ersetzen.

ZUSAMMENFASSUNG:

• Ein Stromspiegel ist eine Transistorschaltung, die den Laststrom über einen einfachen Bias-Widerstand festlegt.
• Präziser Betrieb erfordert, dass die Transistoren die gleiche Temperatur teilen; diskrete Teile können verklebt werden, ICs platzieren sie nah beieinander.
• Stromspiegel gibt es in zwei Grundkonfigurationen: stromsenkend (NPN) und stromliefernd (PNP).

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Active Loads in Amplifier Circuits Worksheet
• Differential Transistor Amplifiers Worksheet