Необходимость температурной компенсации токового зеркала

10

В настоящее время я изучаю текущие конфигурации зеркал. Я сделал два из них до сих пор. Они оба работали как хотелось, но при нагреве или охлаждении ток через правую сторону (сторону, откуда берется выход) уменьшался или значительно увеличивался при небольших перепадах температур.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

для обеих цепей была низкойили замкнута на + 10В. Обе цепи были настроены на отражение тока 500 мкА. Все транзисторы были подобраны вручную (они все очень близки друг к другу, что касается бета).рLоad

Без эмиттера дегенерации оба контура были значительно зависит от температуры, особенно рис. А, где ток через изменен на 100 мкА или более (1 секунду нагрева) , как я прикоснулся к любой из Q1 или Q2 с кончиком пальца ; но , как транзисторы Q4 и Q5 были затронуты с кончиком пальца, ток через R л о в г 2 изменен на 50 мкА (1 секунда нагрева также), что меньше , чем в первом примере , но все еще слишком много.рLоad1рLоad2

С вырождением эмиттера обе цепи значительно улучшили свою температурную стабильность. Например (если добавлено 1 кОм), если я ссылаюсь на рис. B, ток через R l o a d 2 изменился только на 10 мкА (при нагреве примерно на 1 секунду), в то время как результат с рис. A было немного хуже.рерLоad2

Обе схемы улучшаются по мере добавления вырождения эмиттера к Q1 / Q2 или Q3 / Q4. В обоих примерах ток через Q1 или Q3 всегда был приблизительно постоянным, но ток через Q2 или Q5 даже не был близок к этому.

  • Есть ли способ компенсировать любую из показанных здесь цепей из-за разной температуры? Я думал, что Q5 исправит ошибку изменения температуры в токе, но, очевидно, не сделал.
Кено
источник
1
Сопоставление Vbe и T важно не только для беты, что является преимуществом для запрещенной зоны Vref. Можете ли вы сделать их термически связанными, но изолированными от окружающей среды?
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
Я думаю, что вы упускаете суть. Не ожидайте, что сможете стабилизировать его, если вы разогреете транзисторы по-разному. Вся математика падает на пьяных и рвотных. Вы ожидаете слишком многого.
Энди ака
@ TonyStewart.EEsince'75 Я понимаю, что другие параметры, такие как Vbe, бета, раннее напряжение и т. Д., Имеют значение, но бета - это единственный параметр, который может быть легко измерен моим мультиметром. Как вы думаете, что термоскрепленное зеркало улучшит температурную стабильность?
Кено
1
да, конечно .. но вы можете проверить это с одновременными и дифференциальными изменениями температуры
Тони Стюарт Sunnyskyguy EE75
1
Ваша проблема - это в основном дифференциальная температура, но при небольших различиях не следует упускать из виду тот факт, что ток через установленный резистор зависит от температуры из-за падения напряжения Vbe от источника питания. Если бы это было более низкое напряжение, зависимость была бы более значимой.
Спехро Пефхани

Ответы:

12

Три основных шага

а) Используйте как можно больше вырождения эмиттера.
б) Согласуйте температуры Q1 и Q2.
в) Согласуйте рассеивание Q1 и Q2.

Для (b), по крайней мере, склейте Q1 и Q2 вместе. Намного лучше использовать массив монолитных транзисторов, такой как CA3046, который состоит из 5 транзисторов, выполненных на одной подложке. Для действительно жесткой пары с термическим соответствием пара LM394 «SuperMatch» использует тысячи транзисторных кристаллов, связанных как шахматная доска.

Q5 не только увеличивает выходное сопротивление, но также контролирует рассеивание в Q4. Поиграйте с выпадающими сериями на базе Q5 или эмиттере, чтобы выровнять матч рассеивания Q3 / 4.

Немного более сложное решение с меньшей пропускной способностью, но гораздо большей точностью - избавиться от Q1 и использовать операционный усилитель для управления Q2, чтобы выровнять падения напряжения на Re1 / 2. Замена Q2 полевым транзистором исключает любой вклад бета-вариации в точность вывода. Тогда вам нужно беспокоиться только о дрейфе усилителя Vos с температурой и резисторах tempco или Re1 / 2.

Neil_UK
источник
Матч рассеивания? Рассеяние мощности? Ток должен быть в основном одинаковым как на Q1, так и на Q2, но то, что происходит с напряжением Vce на Q2, в основном зависит от применяемого сопротивления нагрузки. Если это то, что вы имели в виду, в противном случае я нашел ваш очень полезным.
Кено
1
@ Keno Существуют значительные различия в VCE для двух BJT в схеме на рисунке A. Это может привести к очень различному нагреву в двух зеркалах BJT. Рисунок B, так как есть один VBE для VCE Q4 и два VBE для VCE Q3, нагрев в одном по сравнению с другим должен быть в два раза больше, но это лучше (по крайней мере, некоторое уменьшение различий) из-за добавленного раннего эффекта, компенсирующего расположение Q5 ,
Джон
5

Если вы хотите, чтобы оба транзистора имели одинаковую температуру, они должны иметь одинаковое рассеивание (т. Е. Одинаковый ток и одинаковое напряжение). Это также сглаживает некоторые другие источники ошибок (например, Раннее напряжение). Ваша вторая схема точно не достигает этого, так как Vce одного транзистора выше, чем другого. Вот так:

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Это полное зеркало Уилсона, и роль Q3 - сбросить один Vbe, чтобы сделать Vce Q1 / Q2 равным.

Дешевый источник двойных согласованных BJT - это DMMT3904 и другие двойные транзисторы. Они не монолитны, поэтому сопоставление и отслеживание температуры не так хороши, как навороченные, но они дешевы.

Однако если вы хотите максимальной точности, вам придется использовать операционный усилитель с низким смещением.

peufeu
источник
1
Я написал Кено об этом, но еще не упомянул подробности, которые вы добавили относительно дополнительного BJT в полной версии Wilson. Хорошее дополнение. +1 Он исследует эти идеи на прототипах и по-разному подогревает вещи, чтобы посмотреть, что произойдет. (Я очень впечатлен его тщательным тестированием, чтобы увидеть поведение, которое он должен затем понять лучше.) Ни один из этих схем, ни ваш, ни Нил, не обсуждают методы бета-компенсации. (Резисторы эмиттера имеют отношение к ISAT / VBE плюс временная компенсация, а не бета.) Поскольку он занимается дискретными вещами, ему нужно вернуться на 50 лет назад, чтобы увидеть, как Widlar справился с этими вещами.
Джон
1
Да, в наше время приятно видеть кого-то, кто изучает электронику и на самом деле экспериментирует и пытается понять детали, а не просто хлопнуть по arduino поверх него! ...
peufeu
3

Для достижения согласованных источников тока используйте транзисторные матрицы, такие как (оригинальный) RCA CA3046. Сейчас его продают Харрис или Интерсиль. Соответствие составляет 5 милливольт, излучатель-база, что составляет около 10%. Более того, учитывая, что у вас нет возможности использовать несколько полос эмиттера и использовать их для оцифровки, вам понадобятся резисторы вырожденного эмиттера.

analogsystemsrf
источник
Я хотел бы видеть улучшенный CA3096, где низкие боковые PNP сделаны для работы сравнимо с NPN в устройстве. Мне нужно смешать NPN / PNP на том же кубике. Мне, вероятно, придется обанкротить проклятую вещь, если я захочу ее получить.
Джон
Моторола раньше продавала такие. Я использовал их для создания активного зажима на суммирующем узле АЦП. Был слишком медленным, потому что я игнорировал емкость Миллера усилителя зажима обратной связи. Что касается одинаково быстрых NPN и PNP, Harris Corp в Мельбурне, FLA, имеет диэлектрически изолированные операционные усилители, разработанные для эффективной работы в условиях радиационного потока, вероятно, поэтому системы наведения в инерции в боеголовках будут продолжать работать точно в атмосфере, насыщенной атомами.
analogsystemsrf
@jonk Спасибо за упоминание Chabay, несколько месяцев назад. Хорошее чтение. Что касается транзисторов на том же кристалле, то все еще будут временные температурные рассогласования на временном интервале 114 мкс, при условии, что устройства находятся на расстоянии 100 микрон. Если полевые транзисторы со встречными полосами (как это может быть сделано для разностей) с интервалом от Ma до Mb 10u, тепловой тау будет в 100 раз быстрее (его обратное квадратное правило) при 1.14uS; на 1 микрон тепловая тау составляет 11,4 наносекунды.
analogsystemsrf
Интересна добавленная информация о постоянных времени. Это вне моего увлечения, но все равно интересно.
Джон
@ jonk Мы используем эти термические постоянные во времени эффекты в инструменте Signal Chain Explorer для прогнозирования тепловых искажений схем OpAmp, включая нагрев разностных пар из-за изменений выходного тока (время VDD операционного усилителя, как приблизительное изменение тепла). То же самое для резисторов. Кубический метр кремния имеет тепловую тау 11 400 секунд, что является обратной величиной от физической постоянной температуропроводности. Кубический микрон, на 1 миллион X меньше, на триллион X быстрее на 11,4 наносекунды.
analogsystemsrf