Перейти к содержанию

Токовое зеркало

Транзистор, включённый диодом, и второй такой же рядом с ним — и ток во втором повторяет ток в первом. Эта схема из двух деталей стоит внутри почти любого операционного усилителя и драйвера с выходом измерения тока.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Токовое зеркало (current mirror) — схема из двух согласованных транзисторов, в которой ток во втором транзисторе повторяет ток, заданный в первом. Первый транзистор включён диодом — коллектор соединён с базой, — и через него течёт опорный ток. Базы обоих транзисторов соединены, поэтому у них одинаковое напряжение база — эмиттер VBE. Одинаковые транзисторы при одинаковом VBE и одной температуре проводят одинаковый ток эмиттера, а ток коллектора почти равен току эмиттера: α = β/(β + 1) близка к единице (Kuphaldt, т. III, гл. 4). Связь β и тока базы — в статье коэффициент усиления по току.

Расчёт

Опорный ток задают резистором от источника питания:

Iоп≈Uпит−VBERI_\text{оп} \approx \frac{U_\text{пит} - V_{BE}}{R}

Наш пример: Uпит = 5 В, R = 4,3 кОм. У BC546 при токе 2 мА VBE от 0,55 до 0,7 В (onsemi BC546/D), и опорный ток получается около 1 мА. Выходной транзистор отдаст в нагрузку примерно тот же 1 мА, пока напряжение на нём достаточно для активного режима. Схема из двух NPN-транзисторов принимает ток из нагрузки к земле, из двух PNP — отдаёт ток в заземлённую нагрузку.

От одного опорного транзистора можно питать несколько выходных, а ток выхода масштабировать площадью транзистора: транзистор вдвое большей площади даёт вдвое больший ток. В микросхемах так и делают — зеркала заменяют резисторы нагрузки, потому что транзистор на кристалле сделать проще, чем точный резистор (Kuphaldt, разд. «Current mirrors»).

Где встречается

  • Входной каскад ОУ. Зеркало служит активной нагрузкой дифференциального каскада: повторяет ток одного плеча во втором, и разность токов становится выходом каскада (TI SLOA011B, разд. 4.1). Отсюда и одно из ограничений входного диапазона: когда вход приближается к отрицательному питанию на 0,6 В, зеркало начинает закрываться.
  • Измерение тока в драйверах. В DRV8213 и подобных драйверах зеркало делает уменьшенную копию тока двигателя; она течёт через внешний резистор и даёт напряжение, пропорциональное току (TI SLVAFQ3).
  • Источники тока. Зеркало — простой источник постоянного тока, например для светодиодов; другие варианты разобраны в схеме стабилизатора тока для светодиода.

Ограничения

VBE зависит от температуры, поэтому транзисторы зеркала держат при одной температуре: в микросхеме их ставят рядом, а дискретные Kuphaldt советует склеивать корпусами. Ток базы обоих транзисторов берётся из опорного тока, и это даёт небольшую ошибку, тем меньшую, чем больше β. Работа транзистора в активном режиме, насыщение и отсечка подробно разобраны в статье «Биполярный транзистор», а место зеркала в схеме ОУ — в статье «Операционный усилитель».

Частые вопросы

Почему токи в зеркале равны?

У двух одинаковых транзисторов при одном и том же напряжении база — эмиттер и одной температуре одинаковы токи эмиттера. Опорный транзистор, включённый диодом, сам устанавливает такое VBE, при котором через него течёт заданный резистором ток, а второй транзистор видит то же VBE. Небольшую разницу вносят базовые токи, которые опорный ток питает за оба транзистора.

Можно ли собрать зеркало из двух отдельных транзисторов?

Можно, но точность будет хуже, чем в микросхеме: VBE зависит от температуры и разброса экземпляров. Kuphaldt советует держать оба транзистора при одной температуре, например склеив корпуса. Лучше подходят сдвоенные транзисторы в одном корпусе: они изготовлены вместе и находятся при одной температуре.

Зачем зеркало внутри операционного усилителя?

Как активная нагрузка входного дифференциального каскада. TI в SLOA011B показывает: зеркало Q3–Q4 повторяет ток одного плеча пары во втором, и на выходе каскада остаётся ток, пропорциональный разности входных напряжений. Так дифференциальный сигнал превращается в несимметричный.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Volume III — Semiconductors, ch. 4 «Bipolar Junction Transistors», section «Current mirrors» (CC BY) — зеркало регулирует ток нагрузки в широком диапазоне её сопротивлений; при постоянном VBE и температуре постоянен ток эмиттера, α = β/(β + 1) близка к 1; опорный ток задаёт резистор: (U − VD)/Rbias; диод заменяют транзистором для согласования переходов; транзисторы держат при одной температуре; варианты со стоком (NPN) и истоком (PNP) тока; несколько выходов от одного опорного транзистора, ток масштабируется площадью; в ИС зеркала заменяют резисторы нагрузки (пример — 741)
  2. Texas Instruments. Karki J. Understanding Operational Amplifier Specifications (SLOA011B, January 2018, revised July 2021) — разд. 4.1: входной каскад ОУ — пара Q1–Q2 с нагрузкой Q3–Q4; Q3 включён диодом, базы Q3 и Q4 параллельны и видят один VBE, поэтому ток коллектора Q4 равен току Q3 — токовое зеркало; зеркало превращает разностный сигнал пары в несимметричный выходной ток; разд. 5.4: при входе ниже −VEE + 0,6 В зеркало начинает закрываться
  3. Texas Instruments. Integrated Stall Detection for Brushed DC Motors (SLVAFQ3, January 2024) — DRV8213: встроенный датчик тока — токовое зеркало с масштабным коэффициентом; уменьшенная копия тока двигателя IPROPI течёт через внешний резистор и даёт напряжение для сравнения с VREF
  4. onsemi. BC546B, BC547A, B, C, BC548B, C Amplifier Transistors NPN Silicon (BC546/D, Rev. 8, August 2021) — VBE(on) при IC = 2 мА, VCE = 5 В — от 0,55 до 0,7 В; при 10 мА — до 0,77 В

Нашли ошибку?

Смотрите также