Кіріспе
Ток көшіргіші – бір белсенді құрылғы арқылы токты басқа белсенді құрылғыдағы токпен басқару арқылы ток көшірмесін жасауға арналған схема, жүктемеге қарамастан шығыс тогын тұрақты ұстайды. "Көшірілген" ток өзгермелі сигнал тогы болуы мүмкін және кейде осылай болады. Теориялық тұрғыдан алғанда, идеалды ток көшіргіші – ток бағытын кері өзгертетін идеалды кері ток күшейткіші, немесе ол токпен басқарылатын ток көзінен (CCCS) тұруы мүмкін. Ток көшіргіші схемаларға смещение тогын және белсенді жүктемелерді беру үшін қолданылады. Оны сондай-ақ нақты ток көзін модельдеу үшін де пайдалануға болады (өйткені идеалды ток көздері жоқ). Бұл жерде қарастырылып отырған схема топологиясы көптеген монолиттік интегралды схемаларда (IC) кездеседі. Бұл – эмитерлік дегенерациялық резисторы жоқ Widlar көшіргіші. Бұл топология тек интегралды схемада (IC) ғана жүзеге асырылуы мүмкін, себебі құрылғылардың сәйкестігі өте жоғары дәлдікте болуы керек және дискретті құрылғылармен қол жеткізілмейді. Тағы бір топология – Уилсон ток көшіргіші. Уилсон көшіргіші осы конструкциядағы ерте әсер кернеуі мәселесін шешеді. Ток көшіргіштері аналогты және аралас VLSI схемаларында қолданылады.
A current mirror is a circuit designed to copy a current through one active device by controlling the current in another active device of a circuit, keeping the output current constant regardless of loading. The current being "copied" can be, and sometimes is, a varying signal current. Conceptually, an ideal current mirror is simply an ideal inverting current amplifier that reverses the current direction as well, or it could consist of a current controlled current source (CCCS). The current mirror is used to provide bias currents and active loads to circuits. It can also be used to model a more realistic current source (since ideal current sources do not exist). The circuit topology covered here is one that appears in many monolithic ICs. It is a Widlar mirror without an emitter degeneration resistor in the follower (output) transistor. This topology can only be done in an IC, as the matching has to be extremely close and cannot be achieved with discretes. Another topology is the Wilson current mirror. The Wilson mirror solves the Early effect voltage problem in this design. Current mirrors are applied in both analog and mixed VLSI circuits.
Айнаның сипаттамалары
Қазіргі айнаны сипаттайтын үш негізгі сипаттама бар. Біріншісі – беру қатынасы (тоқ күшейткіш ретінде) немесе шығыс тогының шамасы (тұрақты ток көзі CCS ретінде). Екіншісі – оның айнымалы ток шығыс кедергісі, ол айнаға қолданылатын кернеуге байланысты шығыс тогының қаншалықты өзгеретінін анықтайды. Үшінші сипаттама – айнаның дұрыс жұмыс істеуі үшін оның шығыс бөлігіндегі қажетті ең төменгі кернеу түсімі. Бұл ең төменгі кернеу айнаның шығыс транзисторын активтік режимде ұстау қажеттілігімен шартталған. Айнаның жұмыс істейтін кернеулер аралығы сәйкестік диапазоны деп аталады, ал жақсы және нашар жұмыс арасындағы шекараны белгілейтін кернеу сәйкестік кернеуі деп аталады. Айналардың температуралық тұрақтылығы сияқты бірқатар екінші деңгейдегі жұмыс мәселелері де бар.
Негізгі идея
Биполярлы транзистор ең қарапайым ток-ток түрлендіргіш ретінде қолданылуы мүмкін, бірақ оның беру коэффициенті температура өзгерісіне, β-ның қателіктеріне және т.б. күшті тәуелді болады. Бұл немесе басқа ықпалдарды жою үшін ток көпірі екі каскадталған ток-кернеу және кернеу-ток түрлендіргіштерінен құралады, олар бірдей жағдайларда орналасқан және кері сипаттамаларға ие. Олардың сызықты болуы міндетті емес; олардың сипаттамалары айна тәрізді болуы керек (мысалы, төмендегі BJT ток көпірінде олар логарифмдік және экспоненциалдық). Әдетте екі бірдей түрлендіргіш қолданылады, бірақ біріншісінің сипаттамасы кері байланыс арқылы өзгертіледі. Осылайша ток көпірі екі каскадталған тең түрлендіргіштен тұрады (біріншісі – кері, екіншісі – тікелей).
Шығыс кедергісі
Егер VBC Q2 шығыс транзисторында нөлден үлкен болса, Q2 коллекторындағы ток Early эффектісінің салдарынан Q1-ге қарағанда сәл артық болады. Басқаша айтқанда, айнаның шығыс транзисторының ro-сымен анықталатын шекті шығыс (немесе Нортон) кедергісі бар, яғни:
мұнда VA – Early кернеуі; ал VCE – шығыс транзисторының коллектор-эмиттерлік кернеуі.
Сәйкестікті қамтамасыз ету кернеуі
Шығыс транзисторын белсенді ұстау үшін VCB ≥ 0 В. Бұл дұрыс көшірме мінез-құлқына қол жеткізу үшін қажетті ең төменгі шығыс кернеуін, яғни сәйкестік кернеуін білдіреді. Бұл кернеу, VOUT = VCV = VBE, шығыс транзисторы IC тоқ деңгейінде және VCB = 0 В болғандағы бейімделу шартында шамаланады. Немесе жоғарыдағы I-V қатынасын кері қарастыратын болсақ:
мұнда VT – жылулық кернеу, ал IS – кері қанығу тогы немесе масштабтық ток.
Ұзартулар мен асқынулар
Q2 VCB > 0 В болған кезде транзисторлар енді үйлесімді болмайды. Атап айтқанда, олардың β шамалары Early эффектісіне байланысты өзгеше болады, мұнда VA – Early кернеуі, ал β0 – VCB = 0 В үшін транзистордың β шамасы. Early эффектісінен туындаған айырмашылықтан басқа, транзистордың β шамалары да әртүрлі болады, себебі β0 шамасы токқа тәуелді, ал екі транзистор қазір әртүрлі токтарды өткізеді (Gummel-Poon моделіне қараңыз). Сонымен қатар, Q2 жоғары қуат шығынына байланысты Q1-ден едәуір ысып кетуі мүмкін. Үйлесімділікті сақтау үшін транзисторлардың температурасы шамалы дерлік бірдей болуы керек. Екі транзистордың да бір чипте орналасқан интегралдық схемалар мен транзисторлар тізбегінде мұны оңай жетістіруге болады. Бірақ егер екі транзистор бір-бірінен қашық болса, тоқ көпіршігінің (current mirror) дәлдігі төмендейді. Қосымша үйлесімді транзисторларды бірдей базаға қосуға болады, олар бірдей коллектор тогын қамтамасыз етеді. Яғни, схеманың оң жағын әрқайсысында R2 орнына әртүрлі кедергі мәндерімен бірнеше рет көшіруге болады. Дегенмен, әрбір қосымша оң жақ транзистор оң жақ транзисторлардың базалық тогының нөлдік емес болуына байланысты Q1-ден коллектор тогының бір бөлігін "алыстатады". Бұл бағдарламаланған ток мөлшерінің сәл төмендеуіне әкеледі. Сондай-ақ, көпіршік кедергісін арттыру үшін эмитерлік дегенерациясы бар көпіршік мысалына қараңыз. Диаграммада көрсетілген қарапайым көпіршік үшін, әдеттегі мәндер 1% немесе одан да жақсы ток үйлесімділігін қамтамасыз етеді.
where VA is the Early voltage and β0 is the transistor β for VCB = 0 V. Besides the difference due to the Early effect, the transistor β values will differ because the β0 values depend on current, and the two transistors now carry different currents (see Gummel Poon model). Further, Q2 may get substantially hotter than Q1 due to the associated higher power dissipation. To maintain matching, the temperature of the transistors must be nearly the same. In integrated circuits and transistor arrays where both transistors are on the same die, this is easy to achieve. But if the two transistors are widely separated, the precision of the current mirror is compromised. Additional matched transistors can be connected to the same base and will supply the same collector current. In other words, the right half of the circuit can be duplicated several times with various resistor values replacing R2 on each. Note, however, that each additional right half transistor "steals" a bit of collector current from Q1 due to the non zero base currents of the right half transistors. This will result in a small reduction in the programmed current. See also an example of a mirror with emitter degeneration to increase mirror resistance. For the simple mirror shown in the diagram, typical values of will yield a current match of 1% or better.
Негізгі MOSFET тоқ айнасы
Негізгі ток көзі MOSFET транзисторларын пайдалана отырып, 2-суретте көрсетілгендей жүзеге асырылуы мүмкін. M1 транзисторы қанығу немесе белсенді режимде жұмыс істейді, сондай-ақ M2 транзисторы да. Бұл жағдайда шығыс тогы IOUT, келесіде талқыланатын IREF-ке тікелей байланысты. MOSFET-тің ағын тогы ID, ID = f(VGS, VDG) арқылы берілген, қақпа-көз кернеуінің және MOSFET-тің қақпа-ағын кернеуінің функциясы болып табылады, бұл қатынас MOSFET құрылғысының жұмыс принципінен туындайды. Ток көзінің M1 транзисторы үшін ID = IREF. IREF эталондық тогы белгілі ток болып табылады және резистор арқылы немесе «шектік кернеуге сәйкес» немесе «өздік бейімделуіш» ток көзі арқылы қамтамасыз етілуі мүмкін, бұл оның кернеу көзінің өзгеруіне қарамастан тұрақты болуын қамтамасыз етеді. M1 транзисторы үшін VDG = 0 деп есептесек, M1-дегі ағын тогы ID = f(VGS, VDG=0) болады, сондықтан f(VGS, 0) = IREF, VGS мәнін анықтайды. Осылайша, IREF VGS мәнін белгілейді. Схема M2 транзисторына да сол VGS кернеуін қолдануға мәжбүрлейді. Егер M2 де нөлдік VDG кернеуімен бейтараптандырылса және M1 және M2 транзисторлары арна ұзындығы, ені, шектік кернеу сияқты қасиеттері жағынан жақсы сәйкес келсе, IOUT = f(VGS, VDG = 0) қатынасы орындалады, демек IOUT = IREF; яғни, шығыс тогы шығыс транзисторы үшін VDG = 0 болғанда эталондық токқа тең болады және екі транзистор да сәйкес келеді. Ағын-көз кернеуі VDS = VDG + VGS арқылы өрнектеледі. Осы теңдеуді қолдана отырып, Shichman–Hodges моделі f(VGS, VDG) функциясының жуықталған түрін береді:
мұнда – транзистормен байланысты технологиялық тұрақты, W/L – транзистордың ені мен ұзындығының қатынасы, – қақпа-көз кернеуі, – шектік кернеу, λ – арна ұзындығы модуляциясының тұрақтысы, ал – ағын-көз кернеуі.
Сәйкестікті қамтамасыз ету кернеуі
Шығыстағы транзистордың кедергісін жоғары ұстау үшін VDG ≥ 0 В. (Бейкерге қараңыз). Бұл айнаның дұрыс жұмыс істеуі үшін қажетті ең төменгі шығыс кернеуін, яғни сәйкестік кернеуін VOUT = VCV = VGS шығыс транзисторының шығыс тогының деңгейінде VDG = 0 В болғанда анықтайды, немесе f функциясының кері функциясын пайдалану арқылы, f−1:
Shichman–Hodges моделі үшін f−1 шамамен квадрат түбір функциясы болып табылады.
Ұзартулар мен ескертулер
Бұл айнаның пайдалы ерекшелігі – f-тің құрылғы ені W-ге сызықтық тәуелділігі, бұл шамамен тіпті Шичман-Ходжес моделінен де дәлдігі жоғары модельдер үшін де орындалады. Осылайша, екі транзистордың ендерінің қатынасын реттеу арқылы эталондық токтан еселік мөлшерлер жасауға болады. Шичман-Ходжес моделі көне технологиялар үшін ғана дұрыс, бірақ ол ыңғайлы болуы себепті бүгінгі күнге дейін қолданылып келеді. Жаңа технологияға негізделген кез келген сандық жобалауда, өзгерген ток-кернеу сипаттамаларын ескеретін құрылғылардың компьютерлік модельдері қолданылады. Дұрыс жобалау үшін ескерілуі тиіс айырмашылықтардың бірі – кернеуге тәуелділіктегі Vgs-дегі квадрат заңының орындалмауы және λVds арқылы қамтамасыз етілген Vds ағызу кернеуіне тәуелділіктің нашар модельделуі. Теңдеулердің маңызды кемшілігі – арна ұзындығы L-ге байланысты дәл емес тәуелділік. L тәуелділігінің маңызды себебі – λ, оны Грей мен Мейер атап өткендей, λ әдетте тәжірибелік деректерден алынуы керек. Vth-тің тіпті бір құрылғы нөмірі ішінде кең ауқымда өзгеруі дискретті нұсқаларды қолдануды қиындатады. Бұл өзгерістің ықпалын азайту үшін көздік кедергі қолданылса да, оның мәні соншалықты үлкен болады, нәтижесінде шығыс кедергісі төмендейді (яғни азаяды). Осы себепті MOSFET нұсқасы IC/монолиттік интеграция саласында қолданылады.
Сәйкестікті қамтамасыз ету кернеуі
3-суретте көрсетілгендей, үлкен операциялық күшейткіштің күшейту коэффициенті тек кішкентай RE мәнімен максималды Rout-қа қол жеткізеді. RE-нің төмен мәні V2-нің де кішкентай екенін білдіреді, бұл айна үшін төмен сәйкестік кернеуін қамтамасыз етеді, тек V2 кернеуі қарапайым биполярлы айнаның сәйкестік кернеуінен жоғары болады. Осы себепті, бұл типтегі айна кең ауқымды ток айнасы деп аталады, себебі ол басқа айна түрлеріне қарағанда шығыс кернеуінің төменгі деңгейге дейін өзгеруіне мүмкіндік береді, ал олар үлкен Rout-қа тек жоғары сәйкестік кернеуінің есебінен ғана қол жеткізеді. 4-суреттегі MOSFET тізбегі, 3-суреттегі тізбек сияқты, операциялық күшейткіштің Av күшейту коэффициенті неғұрлым жоғары болса, берілген Rout үшін RE-ні соғұрлым кішкентай етуге болады, және айнаның сәйкестік кернеуі де соғұрлым төмен болады.