Дзе́ркало стру́му — керований струмом стабілізатор струму. Найчастіше вихідний струм дорівнює керуючому або відрізняється від нього в ціле число разів. Струмове дзеркало — це схема, призначена для копіювання струму через один активний пристрій (транзистор), контролюючи струм в іншому активному пристрої кола, зберігаючи постійний струм на виході, незалежно від навантаження.
«Копійований» струм може бути й іноді є змінним струмом. Концептуально, ідеальне струмове дзеркало — це просто ідеальний інвертучий операційний підсилювач, який також змінює напрямок струму, або це кероване струмом джерело струму. Дзеркало струму використовується для зміщення струмів і живлення активних навантажень в каскадах інтегральних схем. Струмові дзеркала на транзисторах надзвичайно широко використовуються в аналогових інтегральних схемах завдяки своїй простоті (потрібні всього два узгоджених транзистора) та ефективності. Струмові дзеркала зазвичай використовуються для того, щоб «скопіювати» один керуючий струм на безліч каскадів, і тим самим встановити їх режим по постійному струму.
Реалізація схем струмових дзеркал
Основна ідея
Біполярний транзистор може бути використаний як найпростіший перетворювач струму, але його коефіцієнт передачі сильно залежить від коливань температури, стійкості до бета-випромінювання і т. д. Для усунення цих небажаних перешкод струмове дзеркало складається з двох каскадно з'єднаних перетворювачів «струм — напруга» і "напруга — струм", розміщених при однакових умовах і які мають зворотні характеристики. Не обов'язково, щоб вони були лінійними, єдиною вимогою є їх «дзеркальність» (наприклад, в транзисторному струмовому дзеркалі нижче вони логарифмічні і експоненціальні). Як правило, використовуються два однакових перетворювача, один з яких віддзеркалюють за допомогою негативного зворотного зв'язку. Таким чином, струмове дзеркало складається з двох каскадних перетворювачів (перший — зворотний, і другий — прямий).
Найпростіше транзисторне струмове дзеркало
Якщо прийняти напругу на переході база-емітер транзистора як вхідну величину і струм колектора прийняти за вихідну величину, то транзистор буде діяти як експонентний перетворювач напруга-струм. Застосувавши негативний зворотний зв'язок (просто приєднавши базу до колектора), транзистор можна розглядати як «зворотний», і він буде діяти як протилежний логарифмічний перетворювач із струму в напругу; тепер він буде регулювати «вихідну» напругу база-емітер так, щоб подолати «вхідний» струм колектора.
Робота струмового дзеркала «програмується» шляхом завдання колекторного струму транзистора Q1. Напруга Uве для Q1 встановлюється відповідно до заданого струму, температури навколишнього середовища і типу транзистора. У результаті виявляється заданим режим схеми, і транзистор Q2, узгоджений з транзистором Q1 (краще всього використовувати монолітний здвоєний транзистор), передає у колектор такий же струм, що заданий на Q1. Невеликими базовими струмами можна знехтувати. Одна з переваг описаної схеми полягає в тому, що діапазон Vout — майже від 0 до Vcc за вирахуванням декількох десятих часток вольта, так як немає падіння напруги на емітерному резисторі. Крім того, у багатьох випадках зручно задавати струм за допомогою струму. Найлегше отримати керуючий струм Іref за допомогою резистора. У зв'язку з тим що емітерні переходи транзисторів являють собою діоди, падіння напруги на яких мале в порівнянні з Vcc (15 В), резистор 14,4 кОм формує керуючий, а отже і вихідний струм величиною 1 мА. Струмові дзеркала можна використовувати в тих випадках, коли в транзисторній схемі необхідно мати джерело струму. Їх широко використовують при проектуванні інтегральних схем, коли:
- під рукою є багато узгоджених транзисторів,
- розробник хоче створити схему, яка б працювала в широкому діапазоні живлячих напруг.
Існують навіть безрезисторні інтегральні операційні підсилювачі, в яких режимний струм всього підсилювача задається за допомогою зовнішнього резистора, а струми окремих внутрішніх підсилювальних каскадів формуються за допомогою струмових дзеркал.
Недоліки струмових дзеркал, обумовлені ефектом Ерлі
Просте струмове дзеркало володіє одним недоліком: вихідний струм дещо змінюється при зміні вихідної напруги, тобто вихідний опір схеми не нескінченний. Це пов'язано з тим, що при заданому струмі транзистора Q1, напруга Uве злегка змінюється в залежності від колекторної напруги (прояв ефекту Ерлі); інакше кажучи, графік залежності колекторного струму від напруги між колектором і емітером при фіксованій напрузі між базою і емітером не є горизонтальною лініею. Практично струм може змінюватися приблизно на 25% в діапазоні стійкої роботи схеми. Якщо ж потрібне більш високоякісне джерело струму (найчастіше таких вимог не виникає), то в схему треба додати емітерні резистори. Емітерні резистори обираються таким чином, щоб падіння напруги на них становило кілька десятих часток вольта; така схема — набагато краще джерело струму, так як в ній зміни напруги Uве, обумовлені змінами напруги Uке, надають зневажливо малий вплив на вихідний струм. У цій схемі також слід використовувати узгоджені транзистори.
Схема Уїлсона
Просте струмове дзеркало має один істотний недолік — вихідний струм в деяких межах змінюється при зміні вихідної напруги, тобто вихідний опір такої схеми не нескінченний. При заданому струмі транзистора напруга UБЕ, а разом з ним і струм колектора, змінюється в залежності від колекторної напруги. Струмове дзеркало Уїлсона - це схема позбавлена від описаного вище недоліку і забезпечує високий ступінь стабільності вихідного струму. Транзистори T1 і T2 в цій схемі включені так само, як у звичайному струмовому дзеркалі, але завдяки транзистору T3 потенціал колектора фіксований і не впливає на вихідний струм.
Див. також
Джерела
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993.—413 с., ил. .
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Dze rkalo stru mu kerovanij strumom stabilizator strumu Najchastishe vihidnij strum dorivnyuye keruyuchomu abo vidriznyayetsya vid nogo v cile chislo raziv Strumove dzerkalo ce shema priznachena dlya kopiyuvannya strumu cherez odin aktivnij pristrij tranzistor kontrolyuyuchi strum v inshomu aktivnomu pristroyi kola zberigayuchi postijnij strum na vihodi nezalezhno vid navantazhennya Najprostishe tranzistorne strumove dzerkalo Kopijovanij strum mozhe buti j inodi ye zminnim strumom Konceptualno idealne strumove dzerkalo ce prosto idealnij invertuchij operacijnij pidsilyuvach yakij takozh zminyuye napryamok strumu abo ce kerovane strumom dzherelo strumu Dzerkalo strumu vikoristovuyetsya dlya zmishennya strumiv i zhivlennya aktivnih navantazhen v kaskadah integralnih shem Strumovi dzerkala na tranzistorah nadzvichajno shiroko vikoristovuyutsya v analogovih integralnih shemah zavdyaki svoyij prostoti potribni vsogo dva uzgodzhenih tranzistora ta efektivnosti Strumovi dzerkala zazvichaj vikoristovuyutsya dlya togo shob skopiyuvati odin keruyuchij strum na bezlich kaskadiv i tim samim vstanoviti yih rezhim po postijnomu strumu Realizaciya shem strumovih dzerkalOsnovna ideya Bipolyarnij tranzistor mozhe buti vikoristanij yak najprostishij peretvoryuvach strumu ale jogo koeficiyent peredachi silno zalezhit vid kolivan temperaturi stijkosti do beta viprominyuvannya i t d Dlya usunennya cih nebazhanih pereshkod strumove dzerkalo skladayetsya z dvoh kaskadno z yednanih peretvoryuvachiv strum napruga i napruga strum rozmishenih pri odnakovih umovah i yaki mayut zvorotni harakteristiki Ne obov yazkovo shob voni buli linijnimi yedinoyu vimogoyu ye yih dzerkalnist napriklad v tranzistornomu strumovomu dzerkali nizhche voni logarifmichni i eksponencialni Yak pravilo vikoristovuyutsya dva odnakovih peretvoryuvacha odin z yakih viddzerkalyuyut za dopomogoyu negativnogo zvorotnogo zv yazku Takim chinom strumove dzerkalo skladayetsya z dvoh kaskadnih peretvoryuvachiv pershij zvorotnij i drugij pryamij Najprostishe tranzistorne strumove dzerkaloYaksho prijnyati naprugu na perehodi baza emiter tranzistora yak vhidnu velichinu i strum kolektora prijnyati za vihidnu velichinu to tranzistor bude diyati yak eksponentnij peretvoryuvach napruga strum Zastosuvavshi negativnij zvorotnij zv yazok prosto priyednavshi bazu do kolektora tranzistor mozhna rozglyadati yak zvorotnij i vin bude diyati yak protilezhnij logarifmichnij peretvoryuvach iz strumu v naprugu teper vin bude regulyuvati vihidnu naprugu baza emiter tak shob podolati vhidnij strum kolektora Robota strumovogo dzerkala programuyetsya shlyahom zavdannya kolektornogo strumu tranzistora Q1 Napruga Uve dlya Q1 vstanovlyuyetsya vidpovidno do zadanogo strumu temperaturi navkolishnogo seredovisha i tipu tranzistora U rezultati viyavlyayetsya zadanim rezhim shemi i tranzistor Q2 uzgodzhenij z tranzistorom Q1 krashe vsogo vikoristovuvati monolitnij zdvoyenij tranzistor peredaye u kolektor takij zhe strum sho zadanij na Q1 Nevelikimi bazovimi strumami mozhna znehtuvati Odna z perevag opisanoyi shemi polyagaye v tomu sho diapazon Vout majzhe vid 0 do Vcc za virahuvannyam dekilkoh desyatih chastok volta tak yak nemaye padinnya naprugi na emiternomu rezistori Krim togo u bagatoh vipadkah zruchno zadavati strum za dopomogoyu strumu Najlegshe otrimati keruyuchij strum Iref za dopomogoyu rezistora U zv yazku z tim sho emiterni perehodi tranzistoriv yavlyayut soboyu diodi padinnya naprugi na yakih male v porivnyanni z Vcc 15 V rezistor 14 4 kOm formuye keruyuchij a otzhe i vihidnij strum velichinoyu 1 mA Strumovi dzerkala mozhna vikoristovuvati v tih vipadkah koli v tranzistornij shemi neobhidno mati dzherelo strumu Yih shiroko vikoristovuyut pri proektuvanni integralnih shem koli pid rukoyu ye bagato uzgodzhenih tranzistoriv rozrobnik hoche stvoriti shemu yaka b pracyuvala v shirokomu diapazoni zhivlyachih naprug Isnuyut navit bezrezistorni integralni operacijni pidsilyuvachi v yakih rezhimnij strum vsogo pidsilyuvacha zadayetsya za dopomogoyu zovnishnogo rezistora a strumi okremih vnutrishnih pidsilyuvalnih kaskadiv formuyutsya za dopomogoyu strumovih dzerkal Nedoliki strumovih dzerkal obumovleni efektom ErliProste strumove dzerkalo volodiye odnim nedolikom vihidnij strum desho zminyuyetsya pri zmini vihidnoyi naprugi tobto vihidnij opir shemi ne neskinchennij Ce pov yazano z tim sho pri zadanomu strumi tranzistora Q1 napruga Uve zlegka zminyuyetsya v zalezhnosti vid kolektornoyi naprugi proyav efektu Erli inakshe kazhuchi grafik zalezhnosti kolektornogo strumu vid naprugi mizh kolektorom i emiterom pri fiksovanij napruzi mizh bazoyu i emiterom ne ye gorizontalnoyu linieyu Praktichno strum mozhe zminyuvatisya priblizno na 25 v diapazoni stijkoyi roboti shemi Yaksho zh potribne bilsh visokoyakisne dzherelo strumu najchastishe takih vimog ne vinikaye to v shemu treba dodati emiterni rezistori Emiterni rezistori obirayutsya takim chinom shob padinnya naprugi na nih stanovilo kilka desyatih chastok volta taka shema nabagato krashe dzherelo strumu tak yak v nij zmini naprugi Uve obumovleni zminami naprugi Uke nadayut znevazhlivo malij vpliv na vihidnij strum U cij shemi takozh slid vikoristovuvati uzgodzheni tranzistori Shema UyilsonaStrumove dzerkalo Uyilsona Proste strumove dzerkalo maye odin istotnij nedolik vihidnij strum v deyakih mezhah zminyuyetsya pri zmini vihidnoyi naprugi tobto vihidnij opir takoyi shemi ne neskinchennij Pri zadanomu strumi tranzistora napruga UBE a razom z nim i strum kolektora zminyuyetsya v zalezhnosti vid kolektornoyi naprugi Strumove dzerkalo Uyilsona ce shema pozbavlena vid opisanogo vishe nedoliku i zabezpechuye visokij stupin stabilnosti vihidnogo strumu Tranzistori T1 i T2 v cij shemi vklyucheni tak samo yak u zvichajnomu strumovomu dzerkali ale zavdyaki tranzistoru T3 potencial kolektora fiksovanij i ne vplivaye na vihidnij strum Div takozhAnalogova integralna shemaDzherelaHorovic P Hill U Iskusstvo shemotehniki V 3 h tomah T 1 Per s angl 4 e izd pererab i dop M Mir 1993 413 s il ISBN 5 03 002337 2