- Meningkatkan Sirkuit Cermin Arus Dasar
- Sirkuit Cermin Arus Wilson
- Keuntungan dan Batasan Teknik Cermin Arus Wilson
- Contoh Praktis Sirkuit Cermin Arus Wilson
- Teknik Cermin Arus Widlar
- Menganalisis dan memperoleh Impedansi Output untuk Sirkuit Cermin Arus Widlar
Pada artikel sebelumnya, kita telah membahas tentang Rangkaian Cermin Arus dan bagaimana ia dapat dibangun menggunakan Transistor dan MOSFET. Terlepas dari kenyataan bahwa rangkaian cermin arus dasar dapat dibangun menggunakan dua komponen aktif sederhana, BJT dan MOSFET atau menggunakan rangkaian penguat, outputnya tidak sempurna, serta memiliki batasan dan ketergantungan tertentu pada hal-hal eksternal. Jadi untuk mendapatkan keluaran yang stabil, teknik tambahan digunakan pada rangkaian cermin arus.
Meningkatkan Sirkuit Cermin Arus Dasar
Ada beberapa opsi untuk meningkatkan keluaran Rangkaian Cermin Arus. Dalam salah satu solusi, satu atau dua transistor ditambahkan di atas desain dua transistor tradisional. Konstruksi rangkaian tersebut menggunakan konfigurasi pengikut emitor untuk mengatasi ketidaksesuaian arus basis transistor. Desainnya dapat memiliki jenis struktur rangkaian yang berbeda untuk menyeimbangkan impedansi keluaran.
Ada tiga metrik utama untuk menganalisis kinerja cermin saat ini sebagai bagian dari rangkaian besar.
1. Metrik pertama adalah jumlah kesalahan statis. Ini adalah perbedaan antara arus masukan dan arus keluaran. Ini adalah tugas yang sulit untuk meminimalkan perbedaan karena perbedaan konversi output ujung tunggal diferensial dengan penguatan penguat diferensial bertanggung jawab untuk mengontrol rasio penolakan mode umum dan catu daya.
2. The metrik yang paling penting berikutnya adalah sumber arus keluaran impedansi atau output konduktansi. Ini sangat penting karena mempengaruhi tahap lagi selama sumber saat ini bertindak seperti beban aktif. Ini juga mempengaruhi perolehan mode umum dalam situasi yang berbeda.
3. Untuk operasi stabil dari rangkaian cermin arus, metrik penting terakhir adalah tegangan minimum yang berasal dari sambungan rel daya yang terletak di seberang terminal input dan output.
Jadi untuk meningkatkan output Rangkaian Cermin Arus Dasar, dengan mempertimbangkan semua metrik kinerja di atas, di sini kita akan membahas Teknik Cermin Saat Ini - Rangkaian Cermin Arus Wilson dan Rangkaian Sumber Arus Widlar.
Sirkuit Cermin Arus Wilson
Semuanya dimulai dengan tantangan antara dua insinyur, George R. Wilson dan Barrie Gilbert, untuk membuat sirkuit cermin arus yang lebih baik dalam semalam. Tak perlu dikatakan bahwa George R. Wilson memenangkan tantangan pada tahun 1967. Dari nama George R. Wilson, rangkaian cermin arus yang ditingkatkan yang dirancang olehnya disebut Sirkuit Cermin Arus Wilson.
Sirkuit cermin arus Wilson menggunakan tiga perangkat aktif yang menerima arus melalui inputnya dan memberikan salinan yang tepat atau salinan cermin dari arus ke outputnya.
Di atas Wilson Current Mirror Circuit, terdapat tiga komponen aktif yaitu BJT dan resistor tunggal R1.
Dua asumsi dibuat di sini - satu adalah bahwa semua transistor memiliki penguatan arus yang sama dan kedua adalah arus kolektor T1 dan T2 sama, karena T1 dan T2 cocok dan transistor yang sama. Karena itu
I C1 = I C2 = I C
Dan ini juga berlaku untuk arus basis, I B1 = I B2 = I B
Arus basis dari transistor T3 dapat dengan mudah dihitung dengan penguatan arus, yaitu
Saya B3 = I C3 / β… (1)
Dan arus emitor dari T3 akan menjadi
Saya B3 = ((β + 1) / β) I C3 … (2)
Jika kita melihat skema di atas, arus yang melintasi emitor T3 adalah jumlah arus kolektor T2 dan arus basis T1 & T2. Karena itu, I E3 = I C2 + I B1 + I B2
Sekarang, seperti dibahas di atas, ini dapat dievaluasi lebih lanjut sebagai
I E3 = I C + I B + I B I E3 = I C + 2I B
Karenanya, I E3 = (1+ (2 / β)) I C
I E3 dapat diubah sesuai dengan (2)
((β + 1) / β)) I C3 = (1+ (2 / β)) I C
Arus kolektor dapat ditulis sebagai, I C = ((1+ β) / (β + 2)) I C3 … (3)
Sekali lagi sesuai skema arus yang melalui
Persamaan di atas dapat menarik hubungan antara arus kolektor transistor Ketiga dengan resistor masukan. Bagaimana? Jika 2 / (β (β + 2)) << 1 maka I C3 ≈ I R1. Arus keluaran juga dapat dengan mudah dihitung jika tegangan basis-emitor transistor kurang dari 1V.
I C3 ≈ I R1 = (V 1 - V BE2 - V BE3) / R 1
Jadi, untuk arus keluaran yang tepat dan stabil, R 1 dan V 1 harus memiliki nilai yang tepat. Agar rangkaian berfungsi sebagai sumber arus konstan, R1 perlu diganti dengan sumber arus konstan.
Memperbaiki Sirkuit Cermin Arus Wilson
Rangkaian cermin arus Wilson dapat ditingkatkan lebih lanjut untuk mendapatkan akurasi yang sempurna dengan menambahkan transistor lain.
Rangkaian di atas adalah versi perbaikan dari rangkaian cermin arus Wilson. Transistor keempat T4 ditambahkan di sirkuit. Transistor tambahan T4 menyeimbangkan tegangan kolektor T1 dan T2. Tegangan kolektor T1 distabilkan dengan jumlah yang sama dengan V BE4. Ini menghasilkan terbatas
Keuntungan dan Batasan Teknik Cermin Arus Wilson
Sirkuit cermin arus memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan sirkuit Cermin Arus dasar tradisional-
- Dalam kasus rangkaian cermin arus dasar, ketidaksesuaian arus basis adalah masalah umum. Namun, rangkaian cermin arus Wilson ini secara virtual menghilangkan kesalahan keseimbangan arus basis. Karena itu, arus keluaran hampir akurat pada arus masukan. Tidak hanya ini, rangkaian ini menggunakan impedansi keluaran yang sangat tinggi karena umpan balik negatif melintasi T1 dari dasar T3.
- Rangkaian cermin arus Wilson yang ditingkatkan ini dibuat dengan menggunakan 4 versi transistor sehingga berguna untuk operasi pada arus tinggi.
- Sirkuit cermin arus Wilson memberikan impedansi rendah pada input.
- Itu tidak memerlukan tegangan bias tambahan dan sumber daya minimum yang diperlukan untuk membangunnya.
Keterbatasan Wilson Current Mirror:
- Ketika rangkaian cermin arus Wilson bias dengan frekuensi tinggi maksimum, loop umpan balik negatif menyebabkan ketidakstabilan dalam respon frekuensi.
- Ini memiliki tegangan kepatuhan yang lebih tinggi dibandingkan dengan rangkaian cermin arus dua transistor dasar.
- Sirkuit cermin arus Wilson menciptakan noise di seluruh output. Ini karena umpan balik yang meningkatkan impedansi keluaran dan secara langsung mempengaruhi arus kolektor. Fluktuasi arus kolektor menghasilkan suara bising di seluruh keluaran.
Contoh Praktis Sirkuit Cermin Arus Wilson
Di sini cermin arus Wilson disimulasikan menggunakan Proteus.
Tiga komponen aktif (BJT) digunakan untuk membuat sirkuit. BJT semuanya 2N2222, dengan spesifikasi yang sama. Pot dipilih untuk mengubah arus melintasi kolektor Q2 yang selanjutnya akan mencerminkan kolektor Q3. Untuk beban keluaran, resistor 10 Ohm sedang dipilih.
Berikut adalah video simulasi untuk Teknik Cermin Arus Wilson-
Dalam video, tegangan yang diprogram melintasi kolektor Q2 merefleksikan kolektor Q3.
Teknik Cermin Arus Widlar
Sirkuit cermin arus luar biasa lainnya adalah Sirkuit Sumber Arus Widlar, yang ditemukan oleh Bob Widlar.
Rangkaian tersebut persis sama dengan rangkaian cermin arus dasar yang menggunakan dua buah transistor BJT. Tetapi ada modifikasi pada transistor keluaran. Transistor keluaran menggunakan resistor degenerasi emitor untuk memberikan arus rendah pada keluaran hanya dengan menggunakan nilai resistor sedang.
Salah satu contoh aplikasi sumber arus Widlar yang populer adalah pada rangkaian penguat operasional uA741.
Pada gambar di bawah ini, rangkaian sumber arus Widlar ditampilkan.
Rangkaian ini hanya terdiri dari dua transistor T1 & T2 dan dua resistor R1 & R2. Rangkaian ini sama dengan rangkaian cermin arus dua transistor tanpa R2. R2 dihubungkan secara seri dengan emitor T2 dan ground. Resistor emitor ini secara efektif mengurangi arus melintasi T2 dibandingkan dengan T1. Hal ini dilakukan oleh penurunan tegangan pada resistor ini, penurunan tegangan ini mengurangi tegangan basis-emitor dari transistor keluaran yang selanjutnya menghasilkan arus kolektor yang berkurang melintasi T2.
Menganalisis dan memperoleh Impedansi Output untuk Sirkuit Cermin Arus Widlar
Seperti disebutkan sebelumnya bahwa arus melintasi T2 berkurang dibandingkan dengan arus T1, yang dapat diuji lebih lanjut dan dianalisis menggunakan simulasi Irama Pspice. Mari kita lihat konstruksi dan simulasi rangkaian Widlar pada gambar di bawah ini,
Sirkuit ini dibangun di Cadence Pspice. Dua transistor dengan spesifikasi yang sama digunakan pada rangkaian, yaitu 2N2222. Probe saat ini menunjukkan plot arus melintasi kolektor Q2 dan Q1.
The simulasi dapat dilihat pada gambar di bawah.
Pada gambar di atas, plot merah, yang merupakan arus kolektor Q1 berkurang dibandingkan dengan Q2.
Menerapkan KVL (Hukum Tegangan Kirchhoff) di persimpangan basis-emitor dari rangkaian, V BE1 = V BE2 + I E2 R 2 V BE1 = V BE2 + (β + 1) I B2 R 2
Β 2 adalah untuk transistor keluaran. Ini sama sekali berbeda dari transistor Input karena plot arus pada grafik simulasi dengan jelas menunjukkan bahwa arus dalam dua transistor berbeda.
Rumus akhir dapat ditarik dari rumus di atas jika β hingga ditolak dan jika kita mengubah I C1 menjadi I IN dan I C2 sebagai I OUT. Karena itu,
Untuk mengukur resistansi keluaran dari sumber arus Widlar, rangkaian sinyal kecil adalah pilihan yang berguna. Gambar di bawah ini adalah rangkaian sinyal kecil yang setara untuk sumber arus Widlar.
Arus Ix diterapkan di seluruh rangkaian untuk mengukur resistansi keluaran dari rangkaian. Jadi, sesuai hukum Ohm, resistansi keluarannya adalah
Vx / Ix
The resistansi output dapat ditentukan dengan menerapkan hukum Kirchoff di seluruh tanah kiri ke R2, itu-
Sekali lagi, menerapkan hukum tegangan Kirchhoff di ground R2 ke ground arus Input, V X = I X (R 0 + R 2) + I b (R 2 - βR 0)
Sekarang, mengubah nilainya, persamaan terakhir untuk mendapatkan resistansi keluaran dari rangkaian Cermin Arus Widlar adalah
Jadi beginilah Teknik Cermin Arus Wilson dan Widlar dapat digunakan untuk meningkatkan desain Rangkaian Cermin Arus Dasar.