آموزش الکترونیکآموزش ها

مدار آینه جریان (آموزش کامل ساختار مدار آینه جریان)

آینه جریان یک تکنیک بسیار محبوب برای طراحی IC یکپارچه است. در این تکنیک، مدار به گونه ای طراحی شده است که جریان را از طریق یک دستگاه فعال در یک دستگاه فعال دیگر با ویژگی کنترل جریان کپی می کند. در این حالت، جریان عبوری از یک دستگاه می تواند در دستگاه دیگری کپی شود اما به صورت معکوس است. اگر جریان دستگاه اول تغییر کند، خروجی آینه ای دستگاه دیگر نیز تغییر می کند. بنابراین با کنترل جریان در یک دستگاه می توان جریان موجود در دستگاه دیگر را نیز کنترل کرد. بنابراین مدار آینه جریان اغلب به یک منبع جریان کنترل شده جریان یا CCCS ارجاع می شود.

پیشنهاد میکنم مطالب زیر را بخوانید : 

مشخصات و وابستگی مدار آینه جریان

یک مدار آینه جریان دارای بسیاری از وابستگی های اولیه و ثانویه است و این مهمترین مسئله برای توصیف مدار آینه جریان است.

یک مدار آینه جریان مناسب را می توان با استفاده از سه مشخصات مشخص کرد.

نسبت انتقال جریان

مدار آینه جریان، جریان ورودی یک دستگاه فعال را در خروجی دستگاه های فعال دیگر آینه یا کپی می کند. مدار آینه جریان ایده آل، آمپلی فایر جریان ایده آلی با پیکربندی معکوس است که می تواند جهت جریان را معکوس کند. بنابراین، برای یک آمپلی فایر جریان ایده آل، نسبت انتقال جریان یک پارامتر مهم است.

مقاومت خروجی AC

مقاومت طبق قانون اهم دارای یک رابطه جریان-ولتاژ است. بنابراین، مقاومت خروجی AC نقش عمده ای در پایداری جریان خروجی با توجه به تغییرات ولتاژ دارد.

افت ولتاژ

یک مدار آینه کار مناسب، افت ولتاژ کمی در خروجی دارد. محدوده ولتاژی که در آن یک مدار آینه جریان می تواند کار کند محدوده سازگاری نامیده می شود و حداقل تا حداکثر ولتاژ پشتیبانی شده در این محدوده سازگاری را ولتاژ سازگاری می نامند. برای نگه داشتن ترانزیستور در حالت فعال حداقل ولتاژ لازم است، بنابراین حداقل ولتاژ به مشخصات ترانزیستور بستگی دارد.

اگر میخواهید آردوینو را به صورت اصولی و پروژه محور (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط آردوینو با اندروید، ساخت ربات با آردوینو) یاد بگیرید، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.

محدودیت مدار آینه جریان واقعی

مدار ایده آل و مدار واقعی،کاملا با یکدیگر متفاوت هستند. در دنیای واقعی چیزی به نام کامل یا ایده آل وجود ندارد. با این حال، قبل از درک محدودیت های مدار های آینه جریان با توجه به کاربرد های دنیای واقعی، باید منبع ولتاژ و جریان و عملکرد های ایده آل و واقعی آنها را بفهمید.

منبع ولتاژ دستگاهی است که قادر به تأمین ولتاژ ثابت و پایدار بار است. در اصطلاح ایده آل، منبع ولتاژ بدون وابستگی به جریان بار، یک ولتاژ ثابت را به طور مداوم فراهم می کند. بنابراین، ما می توانیم هر مقاومتِ بار را از طریق منبع ولتاژ ایده آل متصل کنیم و هر زمان یک ولتاژ ثابت و پایدار دریافت کنیم. این مورد در منبع ولتاژ دنیای واقعی اینطور نیست. در دنیای واقعی، منابع ولتاژی مانند باتری ها، منابع تغذیه و غیره نمی توانند جریان نامحدود یا بی اندازه بار را تأمین کنند.

همانند منبع ولتاژ ایده آل، صرف نظر از ولتاژ پایانه، منبع جریان می تواند جریان را تحویل دهد یا قبول کند. اما در دنیای واقعی ولتاژ بر روند تحویل جریان ثابت نیز تأثیر می گذارد. در مورد مدار های آینه جریان، ولتاژ و منابع جریان ایده آل هستند. اما در یک وضعیت واقعی آنها سر و صدا، تلرانس و امواج دارند، بنابراین ولتاژ خروجی متفاوت است. همه اینها بر خروجی آینه جریان تأثیر می گذارد.

نه تنها این، بلکه از نظر تئوری در مدار های آینه ای جریان ایده آل، امپدانس AC به عنوان نامحدود پذیرفته می شود، اما در وضعیت دنیای واقعی اینگونه نیست. مدار آینه جریان در دنیای عملی دارای امپدانس محدود است که بر روند تحویل جریان تأثیر می گذارد. همچنین اجرای مدار، خازنی پارازیتی ایجاد می کند که منجر به محدودیت فرکانس می شود.

مدار آینه جریان با ترانزیستور BJT

ترانزیستور های اتصال دو قطبی، به طور گسترده ای برای آینه سازی جریان استفاده می شود. اولین ترفند استفاده از ترانزیستور اتصال دو قطبی به عنوان مدار آینه جریان، ساخت مبدل ولتاژ نمایی به جریان با استفاده از ترانزیستور است. این کار با تأمین ولتاژ در سراسر محل اتصال امیتر پایه BJT انجام می شود و جریان کالکتور به عنوان یک خروجی در نظر گرفته می شود. در این پیکربندی مبدل ولتاژ به جریان، بازخورد منفی ساده در سراسر ترانزیستور، ولتاژ را به ویژگی های مبدل جریان، به یک مبدل جریان لگاریتمی مخالف به ولتاژ تبدیل می کند. به طور کلی، بازخورد منفی با پیوستن به پایه و کالکتور ترانزیستور انجام می شود.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

مدار آینه جریان با BJT

بیایید تصویر فوق را در نظر بگیریم. قبل از درک نحوه کار مدار، فهمیدن ویژگی های عملکرد ترانزیستور ضروری است. در عملیاتی با حالت فعال، جریان کالکتور ترانزیستور را می توان با ضرب جریان پایه با نسبت β محاسبه کرد. به نسبت بین جریان امیتر و جریان کالکتور ɑ گفته می شود. رابطه این دو را می توان با استفاده از فرمول ریاضی ساده ای توضیح داد :

 ɑ = β/(β+1)

بنابراین، یک ولتاژ امیتر پایه ثابت، یک جریان امیتر ثابت را فراهم می کند. این جریان امیتر ثابت که می تواند در نسبت ثابت ɑ ضرب شود، یک جریان کالکتور ثابت نیز فراهم می کند. در تصویر قبلی، از یک دیود بایاس شده رو به جلو به موازات محل اتصال امیتر پایه که ولتاژ ثابت ترانزیستور را تأمین می کند، استفاده شده است. ولتاژ در سراسر امیتر پایه، بسته به جریان عبوری از دیود ثابت است. با این حال، جریان دیود را می توان توسط مقاومت بایاس کنترل کرد. اگر با افزایش مقدار مقاومت بایاس جریان از طریق دیود کاهش یابد، افت ولتاژ دیود نیز کاهش می یابد. با تأثیر  ولتاژ اتصال امیتر پایه کاهش یافته، جریان امیتر نیز به همان نسبت کاهش می یابد. یک چیزی را که باید بخاطر داشته باشد این است که ɑ و β ترانزیستور ثابت هستند.

با تغییر جریان دیود می توان جریان امیتر ترانزیستور را کنترل کرد و با همان منظور می توان جریان کالکتور ترانزیستور را نیز به نسبت مشابه تغییر داد. با این قانون می توان جریان امیتر ترانزیستور را در کالکتور ترانزیستور اندازه گیری کرد. بنابراین، مقاومت بایاس می تواند جریان کالکتور ترانزیستور را کنترل کند.

این دیود را می توان با استفاده از ترانزیستوری که مشابه نمونه دیگر است به راحتی تغییر داد.

در تصویر زیر، دو ترانزیستور نشان داده شده است که برای ایجاد مدار آینه جریان استفاده می شود. ترانزیستور T1 و T2 باید همتای مشابه هم باشند. همچنین، دو ترانزیستور باید برای انتقال حرارت برابر، نزدیک یکدیگر قرار بگیرند.

مدار جریان آینه با ترانزیستور

اگر به مدار با دقت نگاه کنیم، متوجه می شویم امیتر پایه دو ترانزیستور T1 و T2 با هم موازی هستند. بنابراین، این دو ترانزیستور جریان یکسانی دارند. بنابراین، بهترین راه برای تعیین جریان خروجی، جمع کردن جریان گره است، جایی که IREF در آن جاری است.

طبق قانون کیرشهوف، جریان در کالکتور T1 برابر است با :

IREF = IC + IB1 + IB2

بنابراین، وقتی هر دو ترانزیستور با بایاس کالکتور پایه صفر کار می کنند، جریان های پایه برابر هستند با :

Base current of T1 (IB1) = Base current of T2 (IB2) = Total Base current of the node (IB)

محاسبه جریان آینه ای با ترانزیستور

مقاومت محدود خروجی در ترانزیستور خروجی را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد :

ROUT = VA + VCE / IC As per the R =V / I

ولتاژ سازگاری، جایی که VDG = 0 است و عملکرد آینه جریان هنوز در کمترین ولتاژ خروجی کار می کند، می تواند بدین صورت محاسبه شود :

مدار آینه جریان با ماسفت (MOSFET)

مدار آینه جریان را می توان با استفاده از دو ترانزیستور MOSFET به راحتی اجرا کرد. نحوه کار مدار آینه جریان MOSFET همانطور است که در قسمت قبلی ترانزیستور توضیح داده شد.

مدار آینه جریان با ماسفت (MOSFET)

مدار آینه جریان بالا را با استفاده از MOSFET در نظر بگیرید، ترانزیستور MOSFET M1 در منطقه اشباعی به عنوان VDS ≤ VGS قرار دارد. در مورد MOSFET M2 نیز تا زمانی که ولتاژ خروجی بیشتر از ولتاژ اشباع باشد، در حالت اشباع باقی می ماند. بنابراین جریان ورودی در سراسر M1 مستقیماً جریان خروجی M2 را کنترل خواهد کرد.

عملکرد دستگاه MOSFET مانند این است که جریان تخلیه، کارکرد گیت به منبع و تخلیه به ولتاژ گیت را منعکس می کند.

بنابراین، فرمول آن را می توان با استفاده از تابع زیر نوشت :

ID = f (VGS, VDG)

به همین دلیل، جریان ورودی در MOSFET M1 با جریان تخلیه منعکس می شود. در تصویر، جریان ورودی توسط مقاومت بایاس ارائه می شود.

اگر ولتاژ تخلیه به دروازه VDG برای MOSFET M1 صفر (0) باشد، جریان تخلیه M1 برابر خواهد بود :

ID = f (VGS, VDG=0)

بنابراین، f (VGS، 0) = IIN در نتیجه، IIN مقدار VGS را تنظیم می کند. همان گیت ولتاژ منبع در M2 منعکس می شود. بنابراین، اگر M2 با استفاده از صفر بایاس عمل کند.

VDG و ترانزیستور های ارائه شده M1 و M2 دارای خصوصیات یکسان و مطابقت دقیق هستند، سپس فرمول زیر صحیح است :

IOUT = f (VGS, VDG=0) 

بنابراین جریان خروجی به عنوان جریان ورودی منعکس می شود، IOUT = IIN

تخلیه به ولتاژ منبع را می توان بعنوان VDS = VDG+VGS معرفی کرد. با این تغییر، مدل Shichman Hodges می تواند پاسخ تقریبی f (VGS، VDG) را ارائه دهد:

عملکرد را می توان به صورت زیر بیان کرد :

محاسبه مدار آینه جریان ماسفت

همچنین، مقاومت خروجی را می توان با محدود بودن مقاومت خروجی نیز محاسبه کرد :

مقاومت خروجی مدار جریان آینه ای

در فرمول های فوق، KP یک ثابت مربوط به فناوری ترانزیستور است، W / L نسبت عرض به طول است و λ برای ثابت مدولاسیون طول کانال استفاده می شود.

VGS، Vth و VDS به ترتیب ولتاژ منبع تغذیه، ولتاژ آستانه و تخلیه ولتاژ منبع هستند.

ولتاژ سازگاری، جایی که VDG = 0 است و مقاومت MOSFET خروجی هنوز زیاد است، رفتار آینه جریان هنوز در کمترین ولتاژ خروجی کار می کند. ولتاژ سازگاری را می توان با استباط شرط محاسبه کرد –

VCV = VGS (ID at VDG = 0)
Or, f-1 (ID) when the VDG = 0

مدل عملی برای مدار آینه جریان

مدار آینه جریان با استفاده از نرم افزار پروتئوس شبیه سازی شده است.

مدل عملی برای مدار آینه جریان

در سمت چپ، مدار آینه جریان با استفاده از 2N2222 BJT نشان داده می شود که در آن از دو جفت ترانزیستور یکسان استفاده شده است. به جای مقاومت برنامه نویسی، از پتانسیومتر برای کنترل جریان جاری در شبیه سازی زنده استفاده می شود. همین مورد نیز برای MOSFET های 2N6660 ایجاد شده است.

یک آمپر متر از هر دو طرف ورودی و خروجی متصل است. با شبیه سازی، جریان ورودی تقریباً یکسان است و در طرف ثانویه منعکس می شود.

جزئیات کار را می توانید در ویدئو زیر مشاهده کنید.

کاربرد مدار آینه جریان

برنامه های گسترده ای از مدار آینه جریان در زمینه تولید مدار مجتمع وجود دارد. منبع جریان مرجع با استفاده از مدار آینه جریان ایجاد می شود. با استفاده از این روش می توان چندین نقطه مرجع را از یک منبع واحد ایجاد کرد. از این رو، تغییر یک نقطه مرجع می تواند همچنین منبع جریان را در قسمت های مختلف مدار تغییر دهد.

همچنین مقاله زوج دارلینگتون چیست؟ را بخوانید.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید
امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. مالکیتی بر مطالب ارائه شده ندارم. اکثر فعالیت بنده در زمینه ترجمه است. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *