- 基本的なカレントミラー回路の改善
- ウィルソンカレントミラー回路
- ウィルソンカレントミラー技術の利点と限界
- ウィルソンカレントミラー回路の実例
- ワイドラーカレントミラー技術
- ワイドラーカレントミラー回路の出力インピーダンスの分析と導出
前回の記事では、カレントミラー回路と、トランジスタとMOSFETを使用して回路を構築する方法について説明しました。基本的なカレントミラー回路は、BJTとMOSFETの2つの単純なアクティブコンポーネントを使用するか、増幅器回路を使用して構築できるという事実にもかかわらず、出力は完全ではなく、特定の制限と外部のものへの依存性があります。したがって、安定した出力を得るために、カレントミラー回路で追加の技術が使用されます。
基本的なカレントミラー回路の改善
カレントミラー回路の出力を改善するためのいくつかのオプションがあります。ソリューションの1つでは、従来の2つのトランジスタ設計に1つまたは2つのトランジスタが追加されます。これらの回路の構築では、エミッタフォロワ構成を使用して、トランジスタのベース電流の不一致を克服します。デザインは、出力インピーダンスのバランスをとるために異なる種類の回路構造を持つことができます。
大回路の一部として現在のミラー性能を分析するための3つの主要なメトリックがあります。
1.最初のメトリックは、静的エラーの量です。これは、入力電流と出力電流の差です。差動シングルエンド出力変換と差動アンプのゲインの差がコモンモードと電源の除去比を制御するため、この差を最小限に抑えるのは困難な作業です。
2.次の最も重要なメトリックは、電流源の出力インピーダンスである又は出力コンダクタンス。電流源がアクティブ負荷のように動作している間、ステージに再び影響を与えるため、これは非常に重要です。また、さまざまな状況でのコモンモードゲインにも影響します。
3.カレントミラー回路の安定した動作のために、最後の重要な測定基準は、入力端子と出力端子の間にある電源レール接続から来る最小電圧です。
したがって、基本的なカレントミラー回路の出力を改善するために、上記のすべてのパフォーマンスメトリックを考慮して、ここでは、一般的なカレントミラー技術であるウィルソンカレントミラー回路とウィドラー電流ソース回路について説明します。
ウィルソンカレントミラー回路
それはすべて、ジョージR.ウィルソンとバリーギルバートの2人のエンジニアの間で、改良されたカレントミラー回路を一晩で作るという挑戦から始まりました。言うまでもなく、ジョージR.ウィルソンは1967年に挑戦に勝ちました。ジョージR.ウィルソンの名前から、彼によって設計された改良されたカレントミラー回路はウィルソンカレントミラー回路と呼ばれます。
ウィルソンカレントミラー回路は、入力を流れる電流を受け入れ、電流の正確なコピーまたはミラーリングされたコピーを出力に提供する3つのアクティブデバイスを使用します。
上記のウィルソンカレントミラー回路には、BJTと1つの抵抗R1の3つのアクティブコンポーネントがあります。
ここでは2つの仮定があります。1つはすべてのトランジスタの電流ゲインが同じであるということです。もう1つは、T1とT2が一致し、同じトランジスタであるため、T1とT2のコレクタ電流が等しいということです。したがって、
I C1 = I C2 = I C
そして、これはベース電流にも当てはまります。
I B1 = I B2 = I B
T3トランジスタのベース電流は、電流ゲインによって簡単に計算できます。
I B3 = I C3 /β…（1）
そしてT3のエミッタ電流は
I B3 =（（β+ 1）/β）I C3 …（2）
上記の回路図を見ると、T3エミッターの両端の電流は、T2のコレクター電流とT1およびT2のベース電流の合計です。したがって、
I E3 = I C2 + I B1 + I B2
さて、上で議論したように、これはさらに評価することができます
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
したがって、
I E3 =（1+（2 /β））I C
I E3は、（2）に従って変更できます。
（（β+ 1）/β））I C3 =（1+（2 /β））I C
コレクタ電流は次のように書くことができます。
I C =（（1 +β）/（β+ 2））I C3 …（3）
再び回路図に従って、電流が流れる
上記の式は、入力抵抗との第3トランジスタコレクタ電流間の関係を描くことができます。どうやって？（β（β+ 2））<< 1、次いでI 2 / IF C3 ≈I R1。トランジスタのベース-エミッタ間電圧が1V未満の場合、出力電流も簡単に計算できます。
I C3 ≈I R1 =（V 1 - V BE2 - V BE3）/ R 1
だから、適切かつ安定した出力電流、R用の1とV 1の適切な値にする必要があります。回路を定電流源として機能させるには、R1を定電流源に置き換える必要があります。
ウィルソンカレントミラー回路の改善
ウィルソンカレントミラー回路は、別のトランジスタを追加することにより、完全な精度を得るためにさらに改善することができます。
上記の回路は、ウィルソンカレントミラー回路の改良版です。4番目のトランジスタT4が回路に追加されます。追加のトランジスタT4は、T1とT2のコレクタ電圧のバランスを取ります。T1のコレクタ電圧はVBE4に等しい量で安定します。これは有限になります
ウィルソンカレントミラー技術の利点と限界
カレントミラー回路には、従来の基本的なカレントミラー回路と比較していくつかの利点があります-
- 基本的なカレントミラー回路の場合、ベース電流の不一致が一般的な問題です。ただし、このウィルソンカレントミラー回路は、ベース電流バランスエラーを実質的に排除します。このため、出力電流は入力電流の時点でほぼ正確です。これだけでなく、回路はT3のベースからT1の両端に負のフィードバックがあるため、非常に高い出力インピーダンスを採用しています。
- 改良されたウィルソンカレントミラー回路は4つのトランジスタバージョンを使用して作られているため、大電流での動作に役立ちます。
- ウィルソンカレントミラー回路は、入力で低インピーダンスを提供します。
- 追加のバイアス電圧を必要とせず、それを構築するために最小限のリソースが必要です。
ウィルソンカレントミラーの制限：
- ウィルソンカレントミラー回路が最大高周波でバイアスされると、負帰還ループが周波数応答を不安定にします。
- 基本的な2トランジスタカレントミラー回路に比べてコンプライアンス電圧が高くなっています。
- ウィルソンカレントミラー回路は、出力の両端にノイズを発生させます。これは、出力インピーダンスを上昇させ、コレクタ電流に直接影響を与えるフィードバックによるものです。コレクタ電流の変動は、出力全体にノイズを発生させます。
ウィルソンカレントミラー回路の実例
ここでは、ウィルソンカレントミラーがプロテウスを使用してシミュレートされています。
3つのアクティブコンポーネント（BJT）は、回路を作成するために使用されます。BJTはすべて2N2222で、同じ仕様です。ポットは、Q3コレクターにさらに反映されるQ2コレクターの両端の電流を変更するために選択されます。出力負荷には、10オームの抵抗が選択されています。
これがウィルソンカレントミラーテクニックのシミュレーションビデオです-
ビデオでは、Q2のコレクターの両端にプログラムされた電圧がQ3のコレクターの両端に反射しています。
ワイドラーカレントミラー技術
もう1つの優れたカレントミラー回路は、BobWidlarによって発明されたWidlar電流源回路です。
この回路は、2つのBJTトランジスタを使用した基本的なカレントミラー回路とまったく同じです。ただし、出力トランジスタには変更があります。出力トランジスタは、エミッタ縮退抵抗を使用して、中程度の抵抗値のみを使用して出力に低電流を供給します。
ワイドラー電流源の一般的なアプリケーション例の1つは、uA741オペアンプ回路です。
下の画像では、ワイドラー電流源回路が示されています。
この回路は、2つのトランジスタT1とT2と2つの抵抗R1とR2のみで構成されています。この回路は、R2を除いた2つのトランジスタのカレントミラー回路と同じです。R2は、T2エミッターおよびアースと直列に接続されています。このエミッタ抵抗は、T1と比較してT2の両端の電流を効果的に低減します。これは、この抵抗の両端の電圧降下によって行われます。この電圧降下により、出力トランジスタのベース-エミッタ間電圧が低下し、その結果、T2の両端のコレクタ電流がさらに減少します。
ワイドラーカレントミラー回路の出力インピーダンスの分析と導出
前述のように、T2の両端の電流はT1の電流と比較して減少しており、CadencePspiceシミュレーションを使用してさらにテストおよび分析できます。下の画像でワイドラー回路の構造とシミュレーションを見てみましょう。
回路はCadencePspiceで構成されています。同じ仕様の2つのトランジスタが回路で使用されています。これは2N2222です。電流プローブは、Q2およびQ1コレクター全体の電流プロットを示しています。
シミュレーションは、下の画像で見ることができます。
上の図では、Q1のコレクタ電流である赤いプロットがQ2と比較して減少しています。
回路のベース-エミッタ接合にKVL（キルヒホッフの電圧法則）を適用し、
V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 +（β+ 1）I B2 R 2
β 2は、出力トランジスタのためのものです。シミュレーショングラフの電流プロットは、2つのトランジスタの電流が異なることを明確に示しているため、入力トランジスタとは完全に異なります。
最後の式は、有限βが却下された場合は、上記の式から引き出すことができ、我々はI変更した場合、C1をIとして、INとI C2 IとしてOUT。したがって、
ワイドラー電流源の出力抵抗を測定するには、小信号回路が便利なオプションです。下の画像は、ワイドラー電流源の同等の小信号回路です。
電流Ixは回路の両端に印加され、回路の出力抵抗を測定します。したがって、オームの法則に従って、出力抵抗は次のようになります。
Vx / Ix
出力抵抗は、それは、R2に左の地面全体にキルヒホッフの法則を適用することによって決定することができますが-
ここでも、キルヒホッフの電圧法則をR2グランドから入力電流のグランドに適用します。
V X = I X（R 0 + R 2）+ IのB（R 2 - βR 0）
ここで、値を変更すると、ワイドラーカレントミラー回路の出力抵抗を導出するための最終的な式は次のようになります。
したがって、これは、ウィルソンおよびワイドラーのカレントミラー技術を使用して、基本的なカレントミラー回路の設計を改善する方法です。