Transistores BJT #06 - Espejos de corriente con salida múltiple

Espejos de corriente

Salida múltiple

Introducción

Al diseñar espejos de corriente, es común querer reflejar la corriente en más de una carga al mismo tiempo. Con este fin en mente es que se suelen emplear los espejos de corriente con salida múltiple, de modo que en un circuito complejo con varias cargas se configura la corriente desde un solo punto.

Circuito

Tomamos como base el espejo de corriente básico, le agregamos un transistor y conectamos las bases de la siguiente manera:

 

Figura 1: Espejo de corriente con salida múltiple

Nótese que Rcarga1 y Rcarga2 son las cargas conectadas a los transistores de salida Q2 y Q3 respectivamente. Estas cargas pueden tener valores distintos, la corriente que pasará por las cargas serán casi idénticas al fin y al cabo, como muestra la siguiente simulación:

Figura 2: Resultado de la simulación del Espejo de corriente con salida múltiple. Rojo: corriente configurada; Azul: corriente de salida Q2; Naranja: corriente de salida Q3.

La corriente configurada es ligeramente distinta a ambas corrientes de salida (una diferencia de 20uA), y estas dos corriente de salida son similares entre sí. No olvidar que el simulador asume que los transistores son idénticos, lo cual no es real como ya vimos en entradas del blog anteriores.

Así mismo, es posible agregar más transistores de la misma manera y agregar más salidas al espejo de corriente, además el costo de un transistor es bastante "económico" por lo que resulta muy conveniente. Incluso, es posible generar salidas con corriente proporcional a la corriente de configuración, pero esto último será parte de otra entrada del blog.

Conclusiones

• Es posible agregar salidas al espejo de corriente.
• El costo de agregar una salida es muy reducido.
• La corriente reflejada en cada transistor de salida es la misma.

Transistores BJT #05 - Espejos de Corriente: Espejo Wilson

Espejos de Corriente

Espejo Wilson

Introducción

Anteriormente hemos visto el espejo de corriente básico. Una de las limitaciones mencionadas fue el Efecto Early. A continuación veremos qué es el efecto Early, el diagrama del cicuito del espejo Wilson y explicaremos cómo este circuito elimina el efecto Early.

Efecto Early:

El efecto Early ocasiona que el voltaje base-emisor Vbe varíe un poco cuando el voltaje del colector cambia, dada una corriente que circula por el transistor.

Con el espejo de corriente visto anteriormente, haremos una pequeña simulación en la que variaremos la resistencia de carga, esto hará que el voltaje en el colector cambie y por el efecto Early esto tendrá un impacto en Vbe por tanto en la corriente reflejada:

 

Figura 1: Espejo de Corriente básico.

 Figura 2: Resultado de la simulación al variar la carga. Rojo: corriente de Q1; Azul: corriente en Q2.

Se observa que al variar la carga y por tanto el voltaje colector-emisor Vce, la corriente reflejada no es constante. A esto se le denomina efecto Early.

La variación máxima en este caso es de 45uA. Para 1mA de corriente reflejada esto es un 4.5%. Dependiendo del caso y los valores de los componentes, este porcentaje puede ser aún mayor.

Espejo de corriente Wilson:

Con el fin de reducir el efecto Early, se agrega un transistor adicional Q3 y se cambia un poco el diseño. El Vce de Q1 sigue siendo fijo pero ahora con el valor de dos caídas de voltaje. A diferencia del espejo de corriente básico, en este espejo de corriente el Vce de Q2 es ahora fijo con un valor de una caída de voltaje. De este modo, el efecto Early, ocasionado por las variaciones de la carga, no afectaran la corriente reflejada.

 

Figura 3: Espejo de corriente Wilson.

 Al realizar la simulación del diagrama de la figura 3, vemos el siguiente resultado:

 

Figura 4: Simulación del Espejo de corriente Wilson al variar la carga. Rojo: corriente de Q1; Azul: corriente de Q2.

 Se observa que la diferencia de la corriente entre Q1 y Q2 es casi constante al variar la carga y que además la diferencia es de 6uA aproximadamente. Para una corriente configurada de 1mA, esta diferencia representa menos del 1%.

Conclusiones

• El espejo de corriente Wilson es una variación del espejo de corriente básico.
• Requiere tan solo un componente adicional: un transistor.
• Mejora considerablemente la precisión de la corriente reflejada y la hace resistente al efecto Early.

 

Transistores BJT #04 - Espejos de corriente

Espejo de Corriente

Introducción

Dentro del campo de los circuitos integrados, es común tener como objetivo que las corrientes que circulan dentro de estos sean iguales o que estén en proporción a una corriente base; con este fin en mente, se diseña el espejo de corriente.

Circuito Básico

En el siguiente circuito se puede observar que el espejo de corriente más sencillo se logra mediante dos transistores. Esta es la versión con transistores PNP Provee corriente a la resistencia de carga Rcarga.

Figura 1: Espejo de corriente básico. Versión PNP.

También es posible tener la versión con transistores NPN, en esta versión se hunde la corriente a tierra:

 

Figura 2: Espejo de corriente básico. Versión NPN.

Funcionamiento básico:

En las figuras 1 y 2, lo esencial es saber que la corriente en Q1 se refleja en Q2. 

Tomemos como ejemplo la figura 1:

La corriente que pasa por Q1 es aproximadamente la misma corriente que circula por Rconf. Para determina esta corriente se toma por ley de ohm:

(Vcc - Vbe) / Rconf = Iconf

(5V - 0.6V) / 3.3k = Iconf

Por tanto:

Iconf = 1.3mA

 

Esta es la corriente que circula por Q1 y, a su vez, se refleja en Q2. En consecuencia, la corriente que circula por Q2 es también 1.3mA.

Observaciones:

¿Por qué se refleja la corriente?. Dada la forma del circuito, se puede notar que los voltajes base-emisor de ambos transistores son el mismo, además la corriente que circula por las bases de cada transistor son casi la misma. Por último, los transistores son del mismo modelo y poseen las mismas características físicas. Todo esto hace que ambos transistores estén en las mismas condiciones de polarización y por tanto conduzcan corrientes similares.

Tener cuidado, digo similares y no iguales. Si bien el voltaje base-emisor es el mismo para ambos transistores, las corrientes que circulan por las bases son solo similares al igual que las características físicas de ambos transistores, es imposible que sean totalmente idénticos incluso si son del mismo modelo y lote. Además el voltaje colector-emisor en el transistor Q2 será distinto al de Q1, hay que considerar el efecto Early.

¿Se pueden diseñar espejos de corriente más precisos?. Sí. Los proveedores venden transistores duales que eliminan el problema de las características físicas dispares de ambos transistores, también es posible mejorar el circuito y aplicar otras técnicas como el espejo de corriente Wilson. También, la precisión de las resistencias puede hacer variar el resultado del cálculo de la corriente, una resistencia con mejor tolerancia mejorará la precisión.

Es posible, y más frecuente aun, reflejar la corriente de Q1 en más de un transistor al mismo tiempo, convirtiéndose en un espejo de corriente de salida múltiple, el cual será objeto de estudio en otra entrada del blog.

Simulación:

Como ya se hace costumbre en el blog, realizaré una pequeña simulación del espejo de corriente con ngspice, que alumbrará algunos puntos.

Figura 3: Resultado de la simulación del circuito de la Figura 1.

Como se puede observar, la corriente es aproximadamente 1.3mA para ambos transistores, la diferencia es de 10uA. La simulación considera que ambos transistores son idénticos, pero aún así, los resultados son distintos debido a los otros factores ya mencionados.

Conclusiones

• Los espejos de corriente se suelen usar en microelectrónica.
• La corriente se refleja del transistor Q1 al transistor Q2.
• Es posible reflejar la corriente de Q1 en 1 o más transistores al mismo tiempo.
• El espejo de corriente mostrado, no es el más preciso, pero sí el más sencillo de implementar.