Дзеркало струму

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.

Найпростіше транзисторне струмове дзеркало

«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 U_ве 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 І_ref 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 U_ве 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 U_ве, обумовлені змінами напруги U_ке, надають зневажливо малий вплив на вихідний струм. У цій схемі також слід використовувати узгоджені транзистори.

Схема Уїлсона

Струмове дзеркало 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 U_БЕ, 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

• Аналогова інтегральна схема

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. .