Уилсон тоқ көздері және олардың құрылымы

Кіріспе

Уилсонның ток айнасы – үш терминалды схема (сурет 1), кіріс терминалында кіріс тогын қабылдап, шығыс терминалында «көшірме» ток көзі немесе тұнбасын қамтамасыз етеді. Көшірме ток – кіріс токның нақты көшірмесі. Оны суретте көрсетілгендей, кіріс тармағына тұрақты смещение тогын қосу арқылы Уилсонның ток көзі ретінде қолдануға болады. 2-суретте көрсетілгендей. Бұл схеманы Tektronix компаниясында интегралды схемаларды жобалаушы инженер Джордж Р. Уилсонның есімімен атады. 1967 жылы Уилсон Барри Гилбертпен бірге үш транзистордан ғана тұратын, жақсартылған ток айнасын бір түнде табуға бәсекелесті. Уилсон бұл бәсекені жеңіп алды.

Артықшылықтары мен шектеулері

Стандартты екі транзисторлы айнадан басқа, дизайнер пайдалана алатын тағы да бірнеше ағымдық айна конфигурациялары бар. Егер M1, M2 және M3, M4 транзисторлар жұптары дәл сәйкес келсе және кіріс және шығыс потенциалдары шамамен тең болса, онда, принципі бойынша, статикалық қате болмайды, кіріс және шығыс тоқтары тең болады, себебі MOSFET-тің қақпасына төмен жиілікті немесе тұрақты ток түспейді. Дегенмен, құрылғы геометриясындағы кездейсоқ литографиялық өзгерістер және құрылғылар арасындағы шекті кернеудің өзгеруі салдарынан транзисторлар арасында әрдайым сәйкессіздіктер болады. Ұзын арналы MOSFET-терде, тұрақты ағынды көздің кернеуінде қанығу режимінде жұмыс істегенде, ағын тогы құрылғылардың өлшемдеріне және қақпа-көз кернеуі мен құрылғының шекті кернеуі арасындағы айырманың шамасына пропорционалды. Шекті кернеудің ауытқуының стандартты ауытқуы құрылғылардың абсолюттік өлшемдеріне, өндіріс процесінің ең кішкентай өлшемдеріне және корпустың кернеуіне байланысты болады және әдетте 1-ден 3 милливольтқа дейін құрайды. Сондықтан, (9) теңдеуіндегі шекті кернеудің үлесін бір процент немесе одан аз деңгейде ұстау үшін транзисторларды қақпа-көз кернеуі шекті кернеуден бірнеше ондық вольтқа артық болатындай етіп баптау қажет. Бұл айна транзисторларының шығыс тогының шуына салқындататын қосымша әсер етеді, себебі MOSFET-тегі ағын тогының шу тығыздығы транскондуктивтілікке пропорционалды, демек кері пропорционалды. Сол сияқты, (9) теңдеуіндегі екінші, геометриялық терминнің әсерін азайту үшін мұқият орналастыру қажет. Бір мүмкіндік – M1 және M2 транзисторларын параллель қосылған бірнеше құрылғыларға бөлу, оларды орталық немесе араластырылған орналасқан схемада орналастыру, периметрде жалған қорғау құрылымдарымен немесе оларсыз. MOSFET Уилсонның ағымдық айнасының шығыс кедергісі биполярлық нұсқасындағыдай есептелуі мүмкін. Егер M4 корпусында әсер болмаса, төмен жиілікті шығыс кедергісі келесідей беріледі. Егер қуат көзінің кернеуі бір вольт немесе одан аз болса, ағымдық айналарды пайдаланудан толығымен бас тартуға болады.

There are a number of other possible current mirror configurations in addition to the standard two transistor mirror that a designer may choose to use. If the transistor pairs M1 M2 and M3 M4 are exactly matched and the input and output potentials are approximately equal, then in principle there is no static error, the input and output currents are equal because there is no low frequency or DC current into the gate of a MOSFET. However, there are always mismatches between transistors caused by random lithographic variation in device geometry and by variations in threshold voltage between devices. For long channel MOSFETs operating in saturation at fixed drain source voltage, , the drain current is proportional to device sizes and to the magnitude of the difference between the gate source voltage and the device threshold voltage as The standard deviation of the threshold voltage variation depends on the absolute size of the devices, the minimum feature size of the manufacturing process, and the body voltage and is typically 1 to 3 millivolts. Therefore, to keep the contribution of the threshold voltage term in equation (9) to a percent or less requires biasing the transistors with the gate source voltage exceeding the threshold by several tenths of a volt. This has the subsidiary effect of lowering the contribution of the mirror transistors to the output current noise because the drain current noise density in a MOSFET is proportional to the transconductance and therefore inversely proportional to
Similarly, careful layout is required to minimize the effect of the second, geometric term in (9) that is proportional to One possibility is to subdivide transistors M1 and M2 into multiple devices in parallel that are arranged in a common centric or interdigitated layout with or without dummy guard structures on the perimeter. The output impedance of the MOSFET Wilson current mirror can be calculated in the same way as for the bipolar version. If there is no body effect in M4, the low frequency output impedance is given by In the case of extremely low power supply voltages of one volt or less, the use of current mirrors may be abandoned entirely.