Virtapeili - transistorin piirin elementti , joka on tulovirralla ohjattu virtageneraattori , jossa tulo- ja lähtövirroilla on eri suunnat ja yksi yhteinen virtalähteen lähtö ja virtojen suhde (heijastuskerroin) säilyy. vakio laajalla alueella ja riippuu vähän jännitteestä ja lämpötilasta. Klassinen virtapeilipiiri sisältää kaksi saman johtavuuden omaavaa transistoria ja vastukset kollektoripiireissä. Vastusarvojen suhde määrittää heijastuskertoimen, joka voi olla joko pienempi tai suurempi kuin yksi (mutta ei suurempi kuin lähtötransistorin virransiirtokerroin), jos vastuksia ei ole, virta välitetään suhteessa 1:1.
Virtapeilin tarkkuuden välttämätön edellytys on hyvä lämpötilayhteys ja transistorien rakentava identiteetti, joka on helppo toteuttaa osana integroituja piirejä , joten virtapeilejä käytetään siellä laajasti . Jos halutaan "kopioida" yksi ohjausvirta useaan portaan (esimerkiksi asettaakseen niiden lepovirrat), virtapeilissä voi olla yksi tulo ja useita lähtötransistoreita, jotka tuottavat useita eri lähtövirtoja.
Ohjaustulovirta [1] syötetään yhteen liitetyn yhteisemitteritulotransistorin kantaan ja kollektoriin. Kantaman jännitteen nostaminen tietylle tasolle johtaa transistorin avautumiseen ja sen kollektorivirran ilmestymiseen, joka ottamalla suurimman osan tulovirrasta alkaa estää kannan jännitteen lisäntymistä.
Siten yhteenkytketyllä tulotransistorikannassa ja kollektorilla transistorin avautumiskynnystä vastaava jännite asetetaan aina vastaavaan kollektorivirtaan, joka[ kuka? ] on yhtä suuri kuin tulotaajuusmuuttajan virta miinus tulo- ja lähtötransistorien pienet kantavirrat.
Ensimmäisen transistorin asettama jännite syötetään toisen, lähtötransistorin kannalle, joka on myös kytketty yhteisemitteripiirin mukaisesti, joka avautuu niin paljon kuin ensimmäinen transistori on auki ja muodostaa kollektoripiiriinsä vastaavan lähtövirran. tulotransistorin kollektorivirtaan. Koska useimpien nykyaikaisten transistorien virransiirtokerroin on paljon enemmän kuin 100 ja kantavirrat yhteensä eivät muodosta enempää kuin 1/50 tulovirrasta, voidaan väittää, että nykyisen peilin lähtövirta vastaa tuloa virta enintään 2 %:n tarkkuudella [2] . Lähtötransistoreja voi olla useita, ja jokainen niistä on virran lähde, joka on yhtä suuri kuin tulovirta miinus kaikkien transistorien kantojen kokonaisvirta, joka tässä suoritusmuodossa on suurempi kuin vastaavanlaisessa kokonaiskantavirta. kahden transistorin piiri.
Yksi tapa saada ei-yksikkövirtasuhde on sisällyttää resistanssit kunkin transistorin emitteripiiriin. Mukana oleville vastuksille virtaavat virrat aiheuttavat ylimääräisiä jännitepudotuksia (yleensä enintään 0,5 V), jotka muuttavat virtatasapainoa. Virtojen suhde on tässä tapauksessa suunnilleen kääntäen verrannollinen vastusten suhteeseen. Resistanssit parantavat myös piirin lämpöstabiilisuutta ja lineaarisuutta, mutta pienentävät jonkin verran käyttöjännitealuetta. Jos vaaditaan erittäin suurta lähetystarkkuutta, käytetään kehittyneitä virtapeilipiirejä, joissa käytetään useita transistoreita. Jos tarkkuusvaatimukset ovat alhaiset, tulotransistori voidaan korvata eteenpäin esijännitetyllä puolijohdediodilla ja siirtokerroin valitaan sisällyttämällä vastukset pakollisesti molempiin piirin haaroihin.
Koska pn-liitoksen jännite riippuu lämpötilasta, yhden virtapeilipiirin transistoreista lämmitys tai jäähdytys vaikuttaa siirtokertoimeen, ja erityyppisten ja jopa erien transistorien käyttö heikentää lineaarisuutta. Tällaisten ilmiöiden poissulkemiseksi käytetään transistorien valintaa ja niiden välillä on lämpökontakti, korkeita vaatimuksia varten käytetään kahden transistorin erityistä kokoonpanoa, esimerkiksi K159NT1, ja kiteen epätasainen kuumeneminen otetaan huomioon mikropiirien topologiassa. . Samasta syystä virtapeili tarjoaa suuren tarkkuuden vain pienillä jännitteillä ja virroilla, koska lähtötransistorin kiteen kuumenemista suuren tehohäviön vuoksi on vaikea kompensoida.
Nykyiselle peilille on kolme pääominaisuutta. Ensimmäinen näistä on vahvistus (operaatiovahvistimen tapauksessa) tai lähtövirran suuruus (vakiolähdevirran tapauksessa). Toinen on sen AC-lähtövastus, joka määrittää, kuinka paljon lähtövirta vaihtelee peiliin syötetyn jännitteen mukaan. Kolmas ominaisuus on pienin jännitehäviö, joka vaaditaan peilin lähdössä, jotta se toimisi kunnolla. Tämä minimijännite määräytyy tarpeesta pitää peililähtötransistori aktiivisena. Jännitealuetta, jolla peili toimii, kutsutaan vaatimustenmukaisuusalueeksi, ja jännitettä, joka sijaitsee hyvän ja huonon käyttäytymisen jakolinjalla, kutsutaan jännitealueeksi. Peilien kanssa työskentelemiseen liittyy myös useita pieniä ongelmia, kuten lämpötilan vakaus.
Pienen signaalin tilassa tapahtuvaa analysointia varten nykyinen peili voidaan arvioida vastaavalla Norton-resistanssilla.
Nopeaa analysointia varten suuren signaalin tilassa virtapeili korvataan yleensä ihanteellisella virtalähteellä. Ihanteellinen virtalähde ei kuitenkaan ole monessa suhteessa samanlainen:
Bipolaarista transistoria voidaan käyttää yksinkertaisena virranmuuntimena, mutta sen siirtokerroin on erittäin riippuvainen lämpötilan vaihteluista, beetasäteilyn vastustuskyvystä jne. Näiden ei-toivottujen häiriöiden poistamiseksi virtapeili koostuu kahdesta peräkkäisestä virta-jännitteestä ja "jännitteestä" samoihin olosuhteisiin sijoitettujen ja käänteisominaisuuksien omaavien muuntimien virta ". Niiden ei tarvitse olla lineaarisia, ainoa vaatimus on, että ne ovat "pekulaarisia" (esimerkiksi alla olevassa transistorin virtapeilissä ne ovat logaritmisia ja eksponentiaalisia). Pääsääntöisesti käytetään kahta identtistä muuntajaa, joista toinen käännetään negatiivisella takaisinkytkellä. Siten virtapeili koostuu kahdesta peräkkäisestä identtisestä muuntimesta (ensimmäinen on käänteinen ja toinen on suora).
Virtapeilin toiminta "ohjelmoidaan" asettamalla transistorin Q1 kollektorivirta. Jännite U BE Q1:lle asetetaan annetun virran, ympäristön lämpötilan ja transistorin tyypin mukaan. Seurauksena on, että piiritila asetetaan, ja transistori Q2, joka on sovitettu transistorin Q1 kanssa (on parasta käyttää monoliittista kaksoistransistoria), siirtää kuormaan saman virran kuin on asetettu Q1:lle. Pienet perusvirrat voidaan jättää huomiotta.
Yksi kuvatun piirin eduista on, että sen jännitteen stabiilisuusalue on Ukk miinus muutama kymmenesosa voltista, koska emitterivastuksen yli ei ole jännitehäviötä. Lisäksi monissa tapauksissa on kätevää asettaa virta käyttämällä virtaa. Helpoin tapa saada ohjausvirta Ipr käyttämällä vastusta. Koska transistoreiden emitteriliitokset ovat diodeja, joiden jännitehäviö on pieni verrattuna Ukk:iin, 14,4 kΩ vastus muodostaa ohjauksen ja siten 1 mA:n lähtövirran. Virtapeilejä voidaan käyttää, kun transistoripiiriin tarvitaan virtalähde. Niitä käytetään laajalti integroitujen piirien suunnittelussa, kun:
On olemassa jopa vastuksittomia integroituja operaatiovahvistimia, joissa koko vahvistimen käyttövirta asetetaan ulkoisella vastuksella ja yksittäisten sisäisten vahvistusasteiden virrat muodostetaan virtapeileillä. Tällaisia vahvistimia kutsutaan vastaavasti ohjelmoitaviksi.
Yksinkertaisella virtapeilillä on yksi haittapuoli: lähtövirta muuttuu jonkin verran lähtöjännitteen kanssa, eli piirin lähtöresistanssi ei ole ääretön. Tämä johtuu siitä, että transistorin T1 tietyllä virralla jännite U BE muuttuu hieman kollektorin jännitteen mukaan ( Earley-ilmiön ilmentymä ); toisin sanoen, kollektorivirran ja kollektorin ja emitterin välisen jännitteen käyrä kiinteällä jännitteellä kannan ja emitterin välillä ei ole vaakasuora viiva. Käytännössä virta voi vaihdella noin 25 % piirin vakaalla toiminta-alueella. Jos tarvitset korkealaatuisemman virtalähteen (useimmiten tällaisia vaatimuksia ei esiinny), kuvassa näkyvä piiri sopii. Emitterivastukset valitaan siten, että jännitehäviö niiden yli on muutama kymmenesosa volttia. Tällainen piiri on paljon parempi virtalähde, koska. siinä jännitteen U KE muutoksista johtuvilla jännitteen muutoksilla U BE on mitättömän pieni vaikutus lähtövirtaan. Tässä piirissä tulisi myös käyttää sovitettuja transistoreita.
Jos otetaan jännite transistorin kanta-emitteriliitoksessa tulona ja kollektorivirta ulostulona, niin transistori toimii eksponentiaalisena jännite-virta-muuntimena. Käyttämällä negatiivista takaisinkytkentää (yksinkertaisesti yhdistämällä Q1:n kanta sen kollektoriin) transistori voidaan "kääntää" ja se toimii käänteisenä logaritmisena (eksponentiaalisena) virta-jännite-muuntimena; se säätää nyt kantaemitterin (Q2) "lähtöjännitteen" "kopioimaan" Q1:n kollektorin tulovirran Q2:n kollektoriin.
Yksinkertaisella virtapeilillä on yksi merkittävä haittapuoli - lähtövirta muuttuu tietyissä rajoissa, kun lähtöjännite muuttuu, eli tällaisen piirin lähtöresistanssi ei ole ääretön. Tietyllä transistorivirralla jännite U BE ja sen mukana kollektorivirta vaihtelee kollektorin jännitteen mukaan.
Tämä piiri voittaa yllä kuvatun haitan ja tarjoaa korkean vakiolähtövirran. Tämän piirin transistorit T1 ja T2 on kytketty samalla tavalla kuin perinteisessä virtapeilissä, mutta transistorin T3 ansiosta T2:n kollektoripotentiaali on kiinteä eikä vaikuta lähtövirtaan.
Virtapeilipiiri voidaan rakentaa siten, että lähtevä lähtövirta (tai sisäänvirtaava - npn-tyyppistä transistoria käytettäessä siirtyy useille kuormille. Kuvassa näkyvä piiri näyttää kuinka tämä idea on toteutettu. Huom. että jos yksi transistoreista - virtalähde menee kyllästystilaan (jos esimerkiksi sen kuorma on kytketty pois päältä), kanta ottaa lisätyn virran yhteisestä linjasta, joka yhdistää kaikkien sen transistorien kannat, ja tämän yhteydessä jäljellä olevat lähtövirrat pienenevät Tilannetta voidaan parantaa lisäämällä piiriin toinen transistori.
Kuvassa on kaksi versiota monilähtövirtapeilistä. Nämä piirit heijastavat kaksinkertaista (tai puolta) käyttövirtaa. Integroitujen piirien virtapeilejä kehitettäessä virran heijastuskertoimet asetetaan valitsemalla emitteriliitosten koot (alueet).
Toinen tapa saada ulostulovirta, joka on ohjausvirran kerrannainen, on sisällyttää ylimääräinen vastus lähtötransistorin emitteripiiriin. Jos piiri toimii eri tiheyksillä olevilla virroilla, niin Ebers-Moll-yhtälön mukaan jännite-ero U BE riippuu vain virrantiheyksien suhteesta. Sovitetuissa transistoreissa kollektorivirtojen suhde on yhtä suuri kuin virrantiheyksien suhde. Kaavion avulla voit määrittää kannan ja emitterin välisen jännite-eron tällaisessa tapauksessa, ja se on hyödyllinen ei-singulaarisen heijastuksen omaavien virtapeilien suunnittelussa.
Taulukossa on tyypillisiä esimerkkejä bipolaarisiin transistoreihin perustuvista virtapeilipiireistä ja niitä vastaavista MOS - piireistä. Kaksinapaisen virtapeilin vastukset ovat valinnaisia, ja ne ovat jotain epätavallista MOS-tekniikassa.[ mitä? ] Pääkriteerit virtapeilipiirin valinnassa ovat minimisyöttöjännite, lähtöimpedanssi ja tarkkuusvaatimukset.
| Yksinkertainen nykyinen peili | Kolmen transistorin virtapeili |
Kaskokoodivirtapeili | Wilsonin nykyinen peili | |
|---|---|---|---|---|
| bipolaarisissa transistoreissa | ||||
| MOS - tekniikalla |