Microelettronica in 12 puntate – 4: specchio di corrente

Uno specchio di corrente è un blocco circuitale che funziona per produrre una copia della corrente in un secondo dispositivo attivo, utilizzato particolarmente per la realizzazione di generatori di corrente

Pubblicato il 13 aprile 2015

Una caratteristica importante è la resistenza di uscita relativamente elevata che aiuta a mantenere costante la corrente di uscita indipendentemente dalle condizioni di carico.

Altre caratteristiche peculiari sono la sua semplicità e il fatto che una semplice caduta di tensione base-emettitore ne garantisce il funzionamento.

figura1

Fig. 1 – Circuito base dello specchio di corrente

È utilizzato per fornire correnti di polarizzazione a carichi attivi nei circuiti elettronici.

Lo specchio di corrente può essere caratterizzato da 3 parametri principali:

1) la funzione di trasferimento (nel caso di un amplificatore di corrente) o la corrente di uscita (nel caso di una sorgente di corrente costante CCS);

2) la resistenza di uscita che determina la variazione della corrente di uscita con la tensione applicata;

3) la minima caduta di tensione di uscita per attivarlo.

Circuito base

Il circuito di base comprende due transistor, uno dei quali ha la base e collettore collegati insieme.

La giunzione base-emettitore di Q1 si comporta come un diodo poiché il collettore e la base sono collegati insieme. La corrente di ingresso per lo specchio è etichettato come IREF. Questa corrente potrebbe provenire da un resistore o un generatore di corrente realizzato con un transistor o altro specchio di corrente. Gli emettitori dei due transistori sono collegati a massa o ad una tensione continua negativa.

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Fig. 2 – Mirror Current con compensazione

La corrente in Q1 è impostata esternamente da altri componenti e di conseguenza vi è una data tensione sviluppata attraverso la giunzione base-emettitore di Q1.

Poiché la tensione base-emettitore su entrambi i transistori è la stessa, la corrente in un transistor a specchio è esattamente quella del secondo. Pertanto, la corrente che scorre in Q1 sarà “specchiata” in Q2 e quindi nel corrispondente carico. Il circuito mostrato in figura 1 è spesso adeguato per la maggior parte delle applicazioni.

Tuttavia il circuito ha alcune limitazioni evidenti in molte circostanze, in particolare: necessità di progettare i transistor sullo stesso substrato; la corrente varia con la variazione della tensione di uscita: questo effetto si verifica poiché l’impedenza di uscita non è infinita e vi è una leggera variazione di Vbe con la tensione di collettore per una data corrente in Q2 (spesso la corrente può variare di circa il 25% rispetto alla gamma di uscita).

Una soluzione per quest’ultima limitazione è introdurre un ulteriore transistor (Fig. 2) oppure una piccola quantità di resistenza nell’emettitore di ogni transistor. Tipicamente questi resistori sono scelti per avere alcuni decimi di caduta di tensione.

figura3

Fig. 3 – Widlar Mirror Current

Lo specchio di corrente Widlar (Fig. 3) è una modifica del circuito a due transistor base che incorpora una resistenza di emettitore per solo il transistore di uscita.

Il circuito Widlar può essere utilizzato con transistori bipolari e MOS. Un esempio di applicazione è l’amplificatore operazionale 741.

Wilson Current Mirror

Uno specchio di corrente Wilson è un circuito a tre terminali mostrato in figura 4 che accetta una corrente di ingresso e ne fornisce una “speculare” al terminale di uscita.

Assumendo che i transistor siano uguali, la corrente di emettitore in Q3 è IO/α. Questa corrente è l’ingresso di uno specchio di corrente di base costituita da Q1 e Q2, “rispecchiata” nel collettore di Q1 dividendo per (1 + 2/β). Al nodo in cui IREF entra specchio, possiamo scrivere la seguente equazione:

formula

Il vantaggio dello specchio Wilson è la resistenza di uscita molto più grande rispetto alle altre versioni. Questo è causato da due effetti di feedback positivi.

Per vedere come ciò si verifica, si supponga che un generatore di corrente di test è collegato tra l’uscita dello specchio e la massa. Se la sorgente eroga corrente al nodo di uscita, la tensione aumenta. Ciò causa un flusso di corrente e, conseguente, un aumento della tensione di emettitore di Q3 e tensione di base di Q1.

Poiché Q1 è un emettitore comune per un ingresso di base, l’aumento di tensione alla base provoca la diminuzione della tensione di collettore di Q1 e la tensione di base di Q3.

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Fig. 4 – Wilson Current Mirror

Poiché Q3 è un emettitore comune per un ingresso di base, la diminuzione della tensione alla base provoca un aumento della tensione di collettore.

Così ci sono due effetti di feedback positivi che causano l’aumento della tensione di collettore di Q3 e quindi della resistenza di uscita.

Il circuito prende il nome da George R. Wilson, un progettista di circuiti integrati che lavorava per Tektronix che lo ha ideato nel 1967.

IC Current Mirror

Lo specchio di corrente di precisione DS3920 della Maxim è stato progettato per la polarizzazione di fotodiodi APD e PIN e le applicazioni di monitoraggio.

Il dispositivo accetta un range di tensione da +2.97V a +76V, con un diodo per limitare la tensione all’uscita e proteggere il dispositivo da una sovratensione. DS3920 (Fig. 5) è integrato con una limitazione interna di corrente (4.4 mA o 20 mA) per proteggere il dispositivo da un corto circuito a massa e da uno spegnimento termico se la temperatura del package raggiunge +150 °C.

Il dispositivo è disponibile in un package SOT23 6-pin e opera su un campo di temperatura da -40 °C a + 85 °C.

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Fig. 5 – DS3920: tipica applicazione

REF200 di Texas Instruments (Fig. 6) combina tre circuiti building-block su un unico chip monolitico di due sorgenti di corrente a 100 μA e uno specchio di corrente.

Le sezioni sono dielettricamente isolate, tale da renderle completamente indipendenti. REF200 è disponibile in package mini-DIP e SOIC plastica a 8 pin.

Gli specchi di corrente della Analog Devices offrono elevata precisione, alta gamma dinamica e ampie parti di alimentazione variabili utilizzate per il controllo di potenza ottica.

Possono monitorare una corrente costante da più di 3 nA fino a 3 mA, con una linearità di 1% o superiore. La gamma dinamica di corrente è di 120 dB, mentre la funzione di protezione da sovracorrente costringe il pin di ingresso a terra per evitare danni circuitali. ADL5315 (Fig. 7) è uno specchio di corrente di precisione con una tensione di ingresso stabile e regolabile dall’utente.

È ottimizzato per l’uso con fotodiodi PIN, ma la sua flessibilità e la vasta gamma di funzionamento lo rende adatto per una vasta gamma di applicazioni aggiuntive.

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Fig. 6 – REF200 di Texas Instruments

La corrente erogata dal pin INPT viene accuratamente “specchiata” con un rapporto 1: 1 sul pin di uscita IOUT. In una tipica applicazione per fotodiodo, l’uscita pilota un ingresso di un amplificatore logaritmico per produrre un’uscita lineare che in dB rappresenta la potenza ottica incidente sul fotodiodo.

Inoltre, l’anodo del fotodiodo può essere collegato ad un amplificatore di transimpedenza ad alta velocità per l’estrazione del flusso di dati.

Per l’uscita di tensione lineare è richiesto il collegamento di un singolo resistore a massa.

ADL5315 è disponibile in package di 2 mm × 3 mm, 8-lead LFCSP ed è specificata per il funzionamento da -40 ° C a + 85 ° C (Fig. 8).

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Fig. 7 – ADL5315

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Fig. 8 – ADL5315, tipica applicazione

Maurizio Di Paolo Emilio



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