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Lo specchio di corrente

Specchio di corrente

Lo specchio di corrente è un circuito costituito da coppie di transistor BJT, MOSFET o JFET molto utilizzato per realizzare generatori di corrente e per specchiare correnti da un ramo all’altro dei circuiti.


PROGETTO DI UNO SPECCHIO DI CORRENTE

Supponiamo di dover realizzare uno specchio di corrente utilizzante una coppia di transistor BJT. Innanzitutto prendiamo in considerazione le caratteristiche di uscita del transistor bipolare (Fig.1) e fissiamo il punto di lavoro del primo dispositivo (Q1) nella zona attiva, cioè nella zona in cui il transistor si comporta da generatore di corrente ( in questa zona, fissata una certa tensione base – emettitore (vBE1) del BJT, al variare della tensione tra collettore ed emettitore (vCE1), la corrente di collettore (iC1) tende a rimanere costante).

transistor bipolare specchio di corrente

Se, successivamente, consideriamo il secondo BJT e applichiamo ad esso una tensione base - emettitore (vBE2) identica a quella applicata al primo transistor, i due BJT lavorano sulla stessa caratteristica d’uscita; inoltre, se forziamo il secondo transistor a lavorare anch’esso nella regione attiva, i due transistor, pur avendo diverse vCE, presentano una corrente di collettore praticamente identica: la corrente di collettore del primo transistor risulta specchiata nel secondo. Vediamo, adesso, la realizzazione pratica del circuito. Supponiamo di dover iniettare in un carico RL una corrente costante pari a 1mA, nel verso indicato in figura 2; la prima operazione da compiere consiste nel collegare il carico al collettore di uno dei due transistor (ad esempio T2 ), in modo che RL veda una resistenza d’uscita elevata (il circuito da realizzare, infatti, oltre che da specchio di corrente, deve comportarsi anche da buon generatore di corrente e, quindi, deve avere una bassa resistenza d’ingresso e un’alta resistenza d’uscita). Poi occorre effettuare la scelta del tipo di BJT da impiegare e, dal momento che la corrente attraversa RL dall’alto verso il basso ( da VCC a massa), anche nel transistor T2 dovrà mantenere tale verso di scorrimento. A fronte di tale considerazione risulta, quindi, opportuno utilizzare un transistor BJT npn (Fig. 3).

Con la configurazione circuitale di figura 3, però, non riusciamo a iniettare la corrente desiderata nel carico, perché tale corrente dipende dal valore del carico stesso ed è pari a:

iC2=(VCC-vCE2)/RL

Per risolvere il problema, prendiamo in considerazione un’alternativa che potrebbe apparire corretta, ma che, invece, non consente di fornire una soluzione adeguata: fissiamo la corrente di base (iB2) del transistor T2, in modo da fissare automaticamente la corrente di collettore (Fig. 4). Osservando la figura 4, la corrente di base risulta pari a:

iB2=(VCC-vBE2)/RB

Essendo note VCC ( 5 V ), vBE2 ( 0,6 V ) e RB ( 4,4 KΩ ), la corrente di base risulta fissata a un valore costante (1mA) e, ricordando che iC=ßiB, automaticamente la corrente di collettore appare fissata. In realtà, però, il ß di un BJT è soggetto a variazioni e, quindi, pur progettando adeguatamente il circuito, non si riesce ad ottenere la corrente desiderata. La soluzione al problema è fornita dal circuito mostrato in figura 5. In tale circuito T1 e T2 presentano la stessa tensione base - emettitore e quindi sono rappresentati dalla stessa caratteristica d’uscita. I due transistor, poi, lavorano entrambi nella regione attiva e, di conseguenza, la corrente di collettore è identica nei due componenti ed è pari a:

iC1 = iC2 = (VCC-vBE)/RRIF = 1mA

Come si può notare, la corrente di collettore è fissata ad un valore costante e non dipende più dal valore del carico connesso in uscita. Inoltre, il carico vede un’elevata resistenza d’uscita, RRIF vede una bassa resistenza d’ingresso (quella di T1 connesso a diodo) e quindi lo specchio di corrente si comporta anche da buon generatore di corrente. Il circuito appena descritto inietta nel carico una corrente di 1 mA; se, però, volessimo iniettare nel carico una corrente doppia rispetto a quella generata dallo specchio di corrente potremmo utilizzare la configurazione circuitale presentata in figura 6.

specchio di corrente configurazione circuitale

In questo caso il carico è connesso ai collettori dei due BJT in parallelo; su ogni collettore fluisce una corrente di 1 mA (infatti T1, T2 e T3 hanno stessa vBE e lavorano in zona attiva) e, quindi, nel carico fluisce una corrente di 2mA, pari alla somma delle correnti che fluiscono attraverso i transistor d’uscita. A fronte di quanto appena esposto, dunque, lo specchio di corrente è un circuito che può essere validamente impiegato sia per generare correnti sia per specchiare nei vari rami di un circuito correnti di valore pari o multiplo rispetto a quello della corrente d’ingresso.


GLI ERRORI DELLO SPECCHIO DI CORRENTE

La descrizione dello specchio di corrente appena effettuata non tiene conto degli errori che il circuito commette nello specchiare la corrente nei rami di un determinato circuito; tali errori sono dovuti principalmente alle seguenti cause:

- differenze tra le vBE dei transistor;

- correnti di base non sempre trascurabili;

- differenze nelle vCE dei BJT.

Per quanto riguarda il primo problema, i transistor impiegati per realizzare il circuito presentano delle differenze nella tensione vBE che non consentono la desiderata uguaglianza tra le correnti di collettore. In presenza di tali differenze risulta opportuno utilizzare il circuito di figura 7, molto utile per mantenere sotto controllo il rapporto tra le correnti di collettore dei transistor semplicemente agendo sulle resistenze poste sugli emettitori degli stessi. Nel circuito presentato, detto specchio di corrente a rapporto di resistenze, ipotizziamo che le correnti di base dei BJT siano trascurabili (quindi iC1 =iE1 e iC2=iE2 ) e scriviamo l’equazione della maglia contenente R1 e R2:

vBE2-vBE1=R1iC1-R2iC2

Come detto in precedenza, vBE1 è diverso da vBE2 e, in particolare, vBE1=Vt ln(iC1/iC0) e vBE2=Vt ln(iC2/iC0), dove Vt (T/11600) è l’equivalente in tensione della temperatura e iC0 è la corrente di saturazione inversa dei transistor. Di conseguenza, vBE2-vBE1=Vt ln(iC2/iC1) e, quindi, sostituendo nell’equazione della maglia, otteniamo:

Vt ln(iC2/iC1)=R1iC1-R2iC2

Dividendo entrambi i membri per iC1R2 e considerando Vt molto minore di R1iC1, otteniamo:

iC2/iC1=R1/R2

Come si può notare, il rapporto tra le correnti di collettore dipende esclusivamente dalle resistenze R1 e R2 e, di conseguenza, tale circuito può essere utilmente impiegato nel caso in cui si vogliano controllare rapporti tra correnti di diversa intensità.

Il secondo problema da considerare riguarda le correnti di base dei transistor. La corrente di riferimento, infatti, non fluisce totalmente nel collettore di T1 perché in parte viene assorbita dalle basi dei due transistor. Per risolvere tale problema si può utilizzare il cosiddetto specchio di corrente “base injection” (Fig. 8).

Specchio di corrente

Nel circuito in figura la tensione sul nodo α è data dalla somma di vBE2 e vBE3 ed è, quindi, pari a circa 1,2 V (0,6 V + 0,6 V). Di conseguenza la corrente che scorre attraverso RRIF risulta fissata al seguente valore: iRIF = (VCC - Vα)/ RRIF Tale corrente si ripartisce tra la base di T3 e il collettore di T1 e, anche in questo caso, quindi, una parte della corrente di riferimento viene persa nella base di un BJT (T3). Tuttavia, confrontando l’errore commesso nel circuito di base con quello riscontrato nel base injection il secondo circuito risente molto meno del problema e, più precisamente, l’errore si riduce di un fattore pari a (ß + 1) (Fig. 9).

 

La terza problematica da tenere in conto riguarda la differenza tra le vCE dei transistor, la quale determina disparità tra le correnti dello specchio. Nella zona attiva delle caratteristiche d’uscita, infatti, le curve non sono del tutto orizzontali, ma posseggono una lieve pendenza dovuta al cosiddetto effetto Early; tale effetto è dovuto alla variazione della larghezza di base del BJT a causa della variazione della tensione di collettore. Infatti, fissato una certa vBE, all'aumentare della tensione vCE, aumenta la tensione di polarizzazione inversa della giunzione tra base e collettore e, quindi, aumenta la larghezza della regione di svuotamento di tale giunzione. Di conseguenza la larghezza della base del transistore si riduce e, poiché la corrente di saturazione iC0 è inversamente proporzionale alla larghezza della base, l'aumento della iC0 produce un aumento della corrente di collettore iC. Quindi, se i due transistor presentano una diversa vCE, le loro correnti di collettore non saranno del tutto identiche, introducendo un errore non trascurabile nel circuito. Per risolvere il problema si può utilizzare il circuito di figura 10.

 Specchio di corrente

Come si può notare, se varia il valore del carico, varia la tensione sul nodo α, mentre la tensione vCE di T2 non subisce variazioni perché risulta fissata al valore VB-vBE3. Di conseguenza, progettando in modo adeguato la tensione VB, si può ottenere una vCE2 identica alla vCE1 e realizzare, in tal modo, la desiderata uguaglianza tra le correnti di collettore di T1 e T2

 

 

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ritratto di stewe

(Nessun oggetto)

Interessante articolo di teoria elettronica!
Da aggiungere ai preferiti e studiare con calma!
Grazie!

ritratto di linus

infatti...

è un interessante articolo che mostra anche come spesso si tende a far errori ragionando in un determinato modo e quindi non pensando a ciò che può essere introdotto cambiando le configurazioni che ovviamente tendono ad influenzarsi.

ritratto di Alex87ai

Questo è uno di quegli

Questo è uno di quegli articoli scritti bene e da tenere stampati e sempre a portata di mano come guida alla progettazione. Il problema dei riferimenti di tensione e di corrente stabili al variare delle condizioni al contorno (temperatura, tensione di alimentazione, dispersione delle caratteristiche dei componenti, ecc...) è davvero all'ordine del giorno! Certo, ora esistono circuiti integrati che integrano direttamente al loro interno il blocco per la generazione dei riferimenti, ma capire come è fatto un circuito di questo tipo contribuisce sicuramente ad accrescere la nostra cultura sull'elettronica.

ritratto di sorex

Circuiti integrati

Anche se esistono circuiti integrati appositamente progettati per applicazioni a corrente costante, lo specchio di corrente a BJT o mosfet viene ancora utilizzato nel settore automotive per generare la corrente di eccitazione per gli alternatori delle automobili ad con avvolgimento ad eccitazione separata.
Infatti in configurazione darlington permette di fornire una eccitazione costante pur utilizzando pochi componenti (quindi di basso costo).

ritratto di NIck_BG

é proprio un bel

é proprio un bel articolo...l'ho chiesto e proposto al mio insegnante di elettronica ed è stato molto entusiasta. Abbiamo anche incominciato a farlo..per settimana prossima sarà pronto!
:-)

ritratto di nanostallmann

E LA DINAMICA ???

Niente di nuovo sotto il sole...
Approccio statico canonico.... e riscontrabile in ogni libro di elettronica analogica che si possa definire tale.
Manca invece in TODO la spiegazione (sarebbe stato carino anche solo accennarla) del comportamento dinamico del circuito.
Infatti il generatore di corrente ideale dovrebbe avere impedenza di ingresso infinta...cosa ovviamente impossibile nella realtà...
Ragion per cui ci si avvale di vari circuiti (tra cui quelli sopra riportati) per cercare di ottenere uno scalamento adeguato delle grandezze di interesse.
In particolare anche nella versione "grezza" un solo BJT si riesce, a mezzo della configurazione circuitale,ad ottenere un ottimo compromesso (da 1.5MOhm a 3MOhm).
Il BJT ha per esempio un impedenza di uscita di una 40ina di KOhm (bassa) e quindi è necessario pensare a come innalzare tale valore...pena il cattivo ed inefficiente funzionamento del generatore.
Sempre da tali considerazioni è possibile ricavare anche parametri importanti come la sensibilità al variare della tensione di alimentazione e temperatura.
Ovviamente tutto ciò a mezzo di una pesante trattazione matematica che ometterò in questa sede ...(non mi pare proprio il caso).
Regards

ritratto di lrinetti

Specchio di corrente

Forse ti riferisci ad una spiegazione come quella indicata in questo sito:
http://en.wikibooks.org/wiki/Circuit_Idea/How_to_Reverse_Current_Direction

I disegni sembrano banali, l'articolo un po meno.
Altri punti di vista su questo circuito sono benvenuti.

ritratto di Vittorio Crapella

LM3900

Un integrato classico che contine 4 operazionali NORTON a specchio di corrente è LM3900
a mio parere sono poco conosciuti e poco utilizzati anche se per certe applicazioni potrebbero essere migliori dei classici operazionali
qui un esempio di utilizzo
http://www.webalice.it/crapellavittorio/electronic/varisch7.htm#updw

 

 

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