Введение

Схема, предназначенная для копирования тока через одно активное устройство.

Зеркало тока – это схема, предназначенная для копирования тока через одно активное устройство путем управления током в другом активном устройстве схемы, поддерживая постоянный выходной ток независимо от нагрузки. Копируемый ток может быть, и иногда является, переменным сигнальным током. Концептуально, идеальное зеркало тока представляет собой идеальный инвертирующий усилитель тока, который также меняет направление тока, либо источник тока с управлением током (CCCS). Зеркала тока используются для обеспечения токов смещения и активных нагрузок в схемах. Они также могут использоваться для моделирования более реалистичных источников тока (поскольку идеальных источников тока не существует). Описываемая здесь топология схемы часто встречается в монолитных интегральных схемах. Это зеркало Видлара без резистора вырождения эмиттера в выходном транзисторе-последователе. Реализовать эту топологию можно только в интегральной схеме, поскольку требуется чрезвычайно точное согласование параметров, которое невозможно достичь с дискретными компонентами. Другая топология – зеркало тока Вильсона. Зеркало Вильсона решает проблему напряжения, вызванного эффектом Эрли, в данной конструкции. Зеркала тока применяются как в аналоговых, так и в смешанных схемах БИС.

Характеристики зеркала

Существует три основных характеристики, определяющие параметры зеркала тока. Первая – это коэффициент передачи (в случае усилителя тока) или величина выходного тока (в случае источника постоянного тока CCS). Вторая – это выходное сопротивление по переменному току, которое определяет, насколько изменяется выходной ток при изменении напряжения, приложенного к зеркалу. Третья характеристика – это минимальное падение напряжения на выходной части зеркала, необходимое для его корректной работы. Это минимальное напряжение обусловлено необходимостью поддерживать выходной транзистор зеркала в активном режиме. Диапазон напряжений, в котором зеркало работает стабильно, называется диапазоном допустимых напряжений, а напряжение, определяющее границу между стабильной и нестабильной работой, называется напряжением соответствия. Кроме того, существуют и другие, второстепенные параметры зеркал, например, температурная стабильность.

Основная идея

Биполярный транзистор можно использовать как простейший преобразователь тока в ток, однако его коэффициент передачи сильно зависит от изменений температуры, разброса β и других факторов. Для устранения этих нежелательных влияний, зеркало тока состоит из двух последовательно соединенных преобразователей тока в напряжение и напряжения в ток, работающих в одинаковых условиях и имеющих противоположные характеристики. Они не обязаны быть линейными; единственное требование – чтобы их характеристики были зеркально отражены друг от друга (например, в схеме зеркала тока на биполярных транзисторах, представленной ниже, они логарифмическая и экспоненциальная). Обычно используются два идентичных преобразователя, но характеристика первого инвертируется с помощью отрицательной обратной связи. Таким образом, зеркало тока состоит из двух последовательно соединенных равных преобразователей (первый – инвертированный, второй – прямой).

Выходное сопротивление

Если VBC больше нуля в выходном транзисторе Q2, ток коллектора в Q2 будет несколько больше, чем в Q1 из-за эффекта Эрли. Иными словами, у зеркала имеется конечное выходное (или сопротивление Нортона), определяемое выходным сопротивлением выходного транзистора, а именно:

где VA – напряжение Эрли; и VCE – напряжение между коллектором и эмиттером выходного транзистора.

Соответствующее напряжение

Для поддержания активного выходного транзистора VCB ≥ 0 В. Это означает, что минимальное выходное напряжение, обеспечивающее корректную работу зеркала, – напряжение соответствия – равно VOUT = VCV = VBE при условиях смещения, когда выходной транзистор работает при выходном токе IC и VCB = 0 В, или, изменив вышеуказанное соотношение I-V:

где VT – тепловое напряжение, а IS – обратный ток насыщения или масштабный ток.

Расширения и осложнения

Когда VCB у Q2 становится больше 0 В, транзисторы перестают быть согласованными. В частности, их значения β различаются из-за эффекта Эрли, где VA – напряжение Эрли, а β0 – значение β транзистора при VCB = 0 В. Помимо разницы, вызванной эффектом Эрли, значения β транзисторов будут отличаться, поскольку значения β0 зависят от тока, а теперь два транзистора проводят разные токи (см. модель Gummel-Poon). Более того, Q2 может значительно нагреваться сильнее, чем Q1, из-за связанной с этим большей рассеиваемой мощности. Для поддержания согласованности температура транзисторов должна быть практически одинаковой. В интегральных схемах и транзисторных массивах, где оба транзистора находятся на одном кристалле, этого легко добиться. Но если два транзистора расположены далеко друг от друга, точность зеркала тока ухудшается. Дополнительные согласованные транзисторы можно подключить к той же базе, и они будут обеспечивать тот же коллекторный ток. Иными словами, правую половину схемы можно дублировать несколько раз, используя различные значения резистора вместо R2 в каждой из них. Однако следует отметить, что каждый дополнительный транзистор в правой половине "отбирает" часть коллекторного тока у Q1 из-за ненулевых базовых токов транзисторов в правой половине. Это приведет к небольшому уменьшению заданного тока. См. также пример зеркала с вырождением эмиттера для увеличения выходного сопротивления зеркала. Для простого зеркала, показанного на схеме, типичные значения обеспечат согласованность токов в 1% или лучше.

Основное зеркало тока MOSFET

Основное зеркало тока также может быть реализовано с использованием MOSFET-транзисторов, как показано на рисунке 2. Транзистор M1 работает в режиме насыщения или активном режиме, как и M2. В этой схеме выходной ток IOUT напрямую связан с IREF, что будет рассмотрено далее. Ток стока MOSFET ID является функцией как напряжения затвор-исток, так и напряжения сток-затвор MOSFET, определяемой выражением ID = f(VGS, VDG), – зависимость, вытекающая из принципа работы MOSFET. В случае транзистора M1 зеркала ID = IREF. Ток опорного значения IREF является известным током и может быть обеспечен резистором, как показано, или источником тока с "пороговым" или "само-смещением", чтобы гарантировать его постоянство, независимо от изменений напряжения питания. При VDG = 0 для транзистора M1 ток стока в M1 равен ID = f(VGS, VDG=0), следовательно, f(VGS, 0) = IREF, что неявно определяет значение VGS. Таким образом, IREF задает значение VGS. Схема на рисунке обеспечивает применение того же VGS к транзистору M2. Если M2 также смещен при VDG = 0 и транзисторы M1 и M2 имеют хорошее соответствие по своим параметрам, таким как длина канала, ширина, пороговое напряжение и т.д., то применимо соотношение IOUT = f(VGS, VDG = 0), что устанавливает IOUT = IREF; то есть выходной ток равен опорному току при VDG = 0 для выходного транзистора и при условии соответствия обоих транзисторов. Напряжение сток-исток может быть выражено как VDS = VDG + VGS. С этой подстановкой модель Шичмана–Ходжеса предоставляет приближенную форму для функции f(VGS, VDG):

где – константа, связанная с технологией изготовления транзистора, W/L – отношение ширины к длине транзистора, – напряжение затвор-исток, – пороговое напряжение, λ – коэффициент модуляции длины канала, а – напряжение сток-исток.

Соответствующее напряжение

Для поддержания высокого сопротивления выходного транзистора, VDG ≥ 0 В (см. Baker). Это означает, что минимальное выходное напряжение, обеспечивающее корректную работу зеркального повторителя, – напряжение соответствия, VOUT = VCV = VGS для выходного транзистора при заданном выходном токе и VDG = 0 В, или, используя обратную функцию f, f−1:

Для модели Шичмана — Ходжа, f−1 приблизительно соответствует функции квадратного корня.

Расширения и оговорки

Полезной особенностью этого зеркала является линейная зависимость f от ширины транзистора W, пропорциональность, которая приблизительно выполняется даже для моделей, более точных, чем модель Шичмана — Ходжеса. Таким образом, регулируя соотношение ширины двух транзисторов, можно генерировать кратные значения опорного тока. Модель Шичмана — Ходжеса точна только для достаточно устаревших технологий, хотя она часто используется просто из соображений удобства и сегодня. Любой количественный дизайн, основанный на новых технологиях, использует компьютерные модели устройств, учитывающие измененные вольт-амперные характеристики. Среди различий, которые необходимо учитывать при точном проектировании, – отказ от квадратичного закона для Vgs при зависимости от напряжения и крайне неточное моделирование зависимости от напряжения стока Vds, обеспечиваемое λVds. Другим существенным недостатком уравнений является неточная зависимость от длины канала L. Значительный вклад в зависимость от L вносит параметр λ, как отмечали Грей и Мейер, которые также указывают, что λ обычно необходимо брать из экспериментальных данных. Из-за широкого разброса Vth даже в пределах одного экземпляра устройства дискретные версии оказываются проблематичными. Хотя эту вариацию можно частично компенсировать, используя резистор вырожденного источника, его значение становится настолько большим, что страдает выходное сопротивление (то есть уменьшается). Эта вариация ограничивает применение MOSFET-версии областью интегральных схем/монолитного производства.

Соответствующее напряжение

Для рисунка 3 большое усиление операционного усилителя позволяет достичь максимального Rout при небольшом RE. Низкое значение RE означает, что V2 также мало, что обеспечивает низкое напряжение соответствия для этого зеркала, лишь немного превышающее напряжение соответствия простого биполярного зеркала. По этой причине этот тип зеркала также называют зеркалом тока с широким динамическим диапазоном, поскольку он позволяет выходному напряжению снижаться до низких значений по сравнению с другими типами зеркал, которые достигают большого Rout только ценой высокого напряжения соответствия. В схеме на МОП-транзисторах, представленной на рисунке 4, как и в схеме на рисунке 3, чем больше усиление операционного усилителя Av, тем меньше можно сделать RE при заданном Rout, и тем ниже напряжение соответствия зеркала.