Un espejo de corriente Wilson es un circuito de tres terminales (Fig. 1) que acepta una corriente de entrada en el terminal de entrada y proporciona una fuente de corriente "reflejada" o una salida de sumidero en el terminal de salida. La corriente reflejada es una copia precisa de la corriente de entrada. Puede usarse como fuente de corriente Wilson aplicando una corriente de polarización constante a la rama de entrada como en la figura 2. El circuito lleva el nombre de George R. Wilson, un ingeniero de diseño de circuitos integrados que trabajó para Tektronix . [1] [2] Wilson ideó esta configuración en 1967 cuando él y Barrie Gilbertse desafiaron mutuamente a encontrar un espejo de corriente mejorado de la noche a la mañana que usaría solo tres transistores. Wilson ganó el desafío. [3]
Operación de circuito
Hay tres métricas principales de qué tan bien funcionará un espejo de corriente como parte de un circuito más grande. La primera medida es el error estático, la diferencia entre las corrientes de entrada y salida expresada como una fracción de la corriente de entrada. Minimizar esta diferencia es fundamental en aplicaciones de un espejo de corriente como la conversión de señal de salida diferencial a de un solo extremo en una etapa de amplificador diferencial porque esta diferencia controla el modo común y las relaciones de rechazo de la fuente de alimentación. La segunda medida es la impedancia de salida de la fuente de corriente o, de manera equivalente, su inversa, la conductancia de salida. Esta impedancia afecta la ganancia de etapa cuando se usa una fuente de corriente como carga activa y afecta la ganancia de modo común cuando la fuente proporciona la corriente de cola de un par diferencial. La última métrica es el par de voltajes mínimos desde el terminal común, generalmente una conexión de carril de alimentación, a los terminales de entrada y salida que se requieren para el funcionamiento adecuado del circuito. Estos voltajes afectan el espacio libre para los rieles de la fuente de alimentación que está disponible para los circuitos en los que está incrustado el espejo de corriente.
Un análisis aproximado de Gilbert [3] muestra cómo funciona el espejo de corriente de Wilson y por qué su error estático debería ser muy bajo. Los transistores Q1 y Q2 en la Fig.1 son un par emparejado que comparten los mismos potenciales de emisor y base y, por lo tanto, tienen y . Este es un espejo de corriente simple de dos transistores con como su entrada y como su salida. Cuando una corrientese aplica al nodo de entrada (la conexión entre la base de Q3 y el colector de Q1), el voltaje de ese nodo a tierra comienza a aumentar. A medida que excede el voltaje requerido para polarizar la unión emisor-base de Q3, Q3 actúa como seguidor de emisor o amplificador de colector común y el voltaje base de Q1 y Q2 comienza a aumentar. A medida que aumenta este voltaje base, la corriente comienza a fluir en el colector de Q1. Todos los aumentos de voltaje y corriente se detienen cuando la suma de la corriente del colector de Q1 y la corriente de base de Q3 se equilibran exactamente. En esta condición, los tres transistores tienen corrientes de colector casi iguales y, por lo tanto, corrientes de base aproximadamente iguales. Dejar. Entonces la corriente del colector de Q1 es; la corriente del colector de Q2 es exactamente igual a la de Q1 por lo que la corriente del emisor de Q3 es. La corriente de colector de Q3 es su corriente de emisor menos la corriente de base, por lo que. En esta aproximación, el error estático es cero.
Diferencia de corrientes de entrada y salida
Un análisis formal más exacto muestra el error estático esperado. Asumimos:
- Todos los transistores tienen la misma ganancia de corriente β.
- Q1 y Q2 están emparejados y comparten el mismo voltaje base-emisor, por lo que sus corrientes de colector son iguales.
Por lo tanto, y . La corriente base de Q3 está dada por, y la corriente del emisor por,
- ... (1)
De la suma de las corrientes en el nodo compartido por el emisor de Q3, el colector de Q2 y las bases de Q1 y Q2, la corriente del emisor de Q3 debe ser
- ... (2)
Igualando las expresiones para en (1) y (2) da:
- ... (3)
La suma de las corrientes en el nodo de entrada implica que . Sustituyendo de (3) conduce a o .
Porque es la corriente de salida, el error estático, la diferencia entre las corrientes de entrada y salida, es
- ... (4)
Con transistores NPN, la ganancia de corriente, , es del orden de 100 y, en principio, el desajuste es de aproximadamente 1: 5000.
Para la fuente de corriente Wilson de la Fig.2, la corriente de entrada del espejo es . Los voltajes base-emisor,, suelen estar entre 0,5 y 0,75 voltios, por lo que algunos autores [1] aproximan este resultado como. Por tanto, la corriente de salida depende sustancialmente sólo de V CC y R1 y el circuito actúa como una fuente de corriente constante , es decir, la corriente permanece constante con variaciones en la impedancia de la carga. Sin embargo, las variaciones en V CC o los cambios en el valor de R1 debido a la temperatura se reflejarán en variaciones en la corriente de salida. Este método de generación directa de una corriente de referencia a partir de la fuente de alimentación utilizando una resistencia rara vez tiene la estabilidad adecuada para aplicaciones prácticas y se utilizan circuitos más complejos para proporcionar corrientes de referencia independientes de la temperatura y los voltajes de suministro. [4]
La ecuación (4) subestima sustancialmente las diferencias entre las corrientes de entrada y salida que generalmente se encuentran en este circuito por tres razones. Primero, los voltajes emisor-colector del espejo de corriente interno formado por Q1 y Q2 no son los mismos. El transistor Q2 está conectado por diodos y tiene, que normalmente es del orden de 0,6 a 0,7 voltios. El voltaje del emisor del colector de Q1 es mayor por el voltaje del emisor de base de Q3 y, por lo tanto, es aproximadamente el doble del valor en Q2. El efecto Early (modulación de ancho de base) en Q1 forzará su corriente de colector a ser ligeramente más alta que la de Q2. Este problema puede eliminarse esencialmente mediante la adición de un cuarto transistor, que se muestra como Q4 en el espejo de corriente de Wilson mejorado de la figura 4a. Q4 es un diodo conectado en serie con el colector de Q1, reduciendo su voltaje de colector hasta que es aproximadamente igual a para Q2.
En segundo lugar, el espejo de corriente de Wilson es susceptible a desajustes en la ganancia de corriente, , de sus transistores, particularmente la coincidencia entre y las ganancias actuales del par emparejado Q1 y Q2. [3] Contabilización diferencias entre los tres transistores, se puede demostrar que dónde es la media armónica de las ganancias actuales de Q1 y Q2 o. Se informa que [3] son comunes los desajustes beta del cinco por ciento o más , lo que provoca un aumento de orden de magnitud en el error estático.
Finalmente, la corriente de colector en un transistor bipolar para corrientes de emisor bajas y moderadas se ajusta estrechamente a la relación dónde es la tensión térmica y es una constante que depende de la temperatura, las concentraciones de dopaje y el voltaje colector-emisor. [5] Las corrientes emparejadas en los transistores Q1 y Q2 dependen de la conformidad con la misma ecuación, pero los desajustes observados en dependen de la geometría y van desde por ciento. [6] Estas diferencias entre Q1 y Q2 conducen directamente a errores estáticos del mismo porcentaje para todo el espejo. Se debe utilizar una distribución y un diseño de transistores cuidadosos para minimizar esta fuente de error. Por ejemplo, Q1 y Q2 pueden implementarse cada uno como un par de transistores en paralelo dispuestos como un cuádruple acoplado cruzado en un diseño céntrico común para reducir los efectos de los gradientes locales en la ganancia de corriente. [3] Si el espejo se va a utilizar a un nivel de polarización fijo, las resistencias coincidentes en los emisores de este par pueden transferir parte del problema de coincidencia de los transistores a esas resistencias.
Impedancias de entrada y salida y respuesta de frecuencia
Un circuito es una fuente de corriente solo en la medida en que su corriente de salida sea independiente de su voltaje de salida. En los circuitos de las Figuras 1 y 2, el voltaje de salida de importancia es el potencial del colector de Q3 a tierra. La medida de esa independencia es la impedancia de salida del circuito, la relación entre un cambio en el voltaje de salida y el cambio en la corriente que causa. La Figura 3 muestra un modelo de pequeña señal de un espejo de corriente Wilson dibujado con una fuente de voltaje de prueba,, adjunto a la salida. La impedancia de salida es la relación:. A baja frecuencia, esta relación es real y representa una resistencia de salida.
En la Fig. 3, los transistores Q1 y Q2 se muestran formando un espejo de corriente estándar de dos transistores. Es suficiente para calcular la impedancia de salida [1] [3] asumir que la corriente de salida de este subcircuito espejo de corriente,, es igual a la corriente de entrada, , o . El transistor Q3 está representado por su modelo híbrido-pi de baja frecuencia con una fuente de corriente dependiente controlada por corriente para la corriente del colector.
La suma de las corrientes en el nodo emisor de Q3 implica que:
- ... (5)
Debido a que la resistencia dinámica del transistor Q2 conectado por diodo, la resistencia de entrada del espejo de corriente de dos transistores, es mucho menor que , la tensión de prueba, , aparece efectivamente a través de los terminales colector-emisor de Q3. La corriente base de Q3 es. Usando la ecuación (5) para, la suma de las corrientes en el nodo colector de Q3 se convierte en . Resolviendo la impedancia de salida se obtiene:
- ... (6)
En un espejo de corriente estándar de dos transistores, la impedancia de salida sería la resistencia temprana dinámica del transistor de salida, cuyo equivalente en este caso es . El espejo de corriente de Wilson tiene una impedancia de salida mayor en el factor, del orden de 50X.
La impedancia de entrada de un espejo de corriente es la relación entre el cambio en el voltaje de entrada (el potencial del terminal de entrada a tierra en las Figuras 1 y 2) y el cambio en la corriente de entrada que lo causa. Dado que el cambio en la corriente de salida es casi igual a cualquier cambio en la corriente de entrada, el cambio en el voltaje base-emisor de Q3 es. La ecuación (3) muestra que el colector de Q2 cambia casi en la misma cantidad, por lo que. El voltaje de entrada es la suma de los voltajes base-emisor de Q2 y Q3; las corrientes de colector de Q2 y Q3 son casi iguales, lo que implica que. La impedancia de entrada es. Usando la fórmula estándar para lleva a:
- ... (7)
dónde es el voltaje térmico habitual , el producto de la temperatura absoluta y constante de Boltzmann dividida por la carga de un electrón. Esta impedancia es el doble del valor de para el espejo de corriente estándar de dos transistores.
Los espejos de corriente se utilizan con frecuencia en la trayectoria de la señal de un circuito integrado, por ejemplo, para la conversión de señal diferencial a unipolar dentro de un amplificador operacional. A corrientes de polarización bajas, las impedancias en el circuito son lo suficientemente altas como para que el efecto de la frecuencia pueda ser dominado por capacitancias parásitas y de dispositivo que desvían los nodos de entrada y salida a tierra, reduciendo las impedancias de entrada y salida. [3] La capacitancia de la base del colector,, de Q3 es un componente de esa carga capacitiva. El colector de Q3 es el nodo de salida del espejo y su base es el nodo de entrada. Cuando fluye alguna corriente, esa corriente se convierte en una entrada al espejo y la corriente se duplica en la salida. Efectivamente, la contribución de Q3 a la capacitancia de salida total es. Si la salida del espejo Wilson está conectada a un nodo de impedancia relativamente alta, la ganancia de voltaje del espejo puede ser alta. En ese caso, la impedancia de entrada del espejo puede verse afectada por el efecto Miller debido a, aunque la baja impedancia de entrada del espejo mitiga este efecto.
Cuando el circuito está polarizado a corrientes más altas que maximizan la respuesta de frecuencia de la ganancia de corriente del transistor, es posible operar un espejo de corriente Wilson con resultados satisfactorios a frecuencias de hasta aproximadamente una décima parte de la frecuencia de transición de los transistores. [3] La frecuencia de transición de un transistor bipolar,, es la frecuencia a la que la ganancia de corriente del emisor común de cortocircuito cae a la unidad. [7] Es efectivamente la frecuencia más alta para la que un transistor puede proporcionar una ganancia útil en un amplificador. La frecuencia de transición es una función de la corriente del colector, aumentando con el aumento de la corriente hasta un máximo amplio en una corriente de colector ligeramente menor que lo que causa el inicio de la inyección alta. En modelos simples del transistor bipolar cuando el colector está conectado a tierra, muestra una respuesta de frecuencia unipolar, por lo que es también el producto actual de ganancia de ancho de banda. Crudamente, esto implica que en, . Por la ecuación (4) uno podría esperar que la magnitud de la relación entre la salida y la corriente de entrada a esa frecuencia difiera de la unidad en aproximadamente un 2%.
El espejo de corriente de Wilson logra la alta impedancia de salida de la ecuación (6) por retroalimentación negativa en lugar de por la degeneración del emisor como lo hacen los espejos en casco o las fuentes con degeneración de resistencias. La impedancia del nodo del único nodo interno del espejo, el nodo en el emisor de Q3 y el colector de Q2, es bastante baja. [3] A baja frecuencia, esa impedancia viene dada por. Para un dispositivo polarizado a 1 mA que tiene una ganancia de corriente de 100, esto se evalúa como 0,26 ohmios a 25 grados. C. Cualquier cambio en la corriente de salida con el voltaje de salida da como resultado un cambio en la corriente del emisor de Q3 pero muy poco cambio en el voltaje del nodo emisor. El cambio en se retroalimenta a través de Q2 y Q1 al nodo de entrada donde cambia la corriente base de Q3 de una manera que reduce el cambio neto en la corriente de salida, cerrando así el circuito de retroalimentación.
Los circuitos que contienen bucles de retroalimentación negativa, ya sean bucles de corriente o voltaje, con ganancias de bucle cercanas o superiores a la unidad pueden presentar anomalías indeseables en la respuesta de frecuencia cuando el cambio de fase de la señal dentro del bucle es suficiente para convertir la retroalimentación negativa en positiva. Para el bucle de retroalimentación de corriente del espejo de corriente de Wilson, este efecto aparece como un pico de resonancia amplio y fuerte en la relación entre la salida y la corriente de entrada, a aproximadamente . Gilbert [3] muestra una simulación de un espejo de corriente Wilson implementado en transistores NPN con GHz y ganancia de corriente que muestra un pico de 7.5 dB a 1,2 GHz. Este comportamiento es muy indeseable y puede eliminarse en gran medida mediante una modificación adicional del circuito de espejo básico. La Figura 4b muestra una posible variante del espejo Wilson que reduce este pico desconectando las bases de Q1 y Q2 del colector de Q2 y agregando un segundo emisor a Q3 para impulsar las bases del espejo interno. Para las mismas condiciones de polarización y tipo de dispositivo, este circuito exhibe una respuesta de frecuencia plana a 50 MHz, tiene una respuesta máxima de menos de 0,7 dB a 160 MHz y cae por debajo de su respuesta de baja frecuencia a 350 MHz.
Voltajes operativos mínimos
La conformidad de una fuente de corriente, es decir, el rango de voltaje de salida sobre el cual la corriente de salida permanece aproximadamente constante, afecta los potenciales disponibles para polarizar y operar los circuitos en los que está incrustada la fuente. Por ejemplo, en la Fig. 2 la tensión disponible para la "Carga" es la diferencia entre la tensión de alimentacióny la tensión de colector de Q3. El colector de Q3 es el nodo de salida del espejo y el potencial de ese colector en relación con la tierra es el voltaje de salida del espejo, es decir, y el voltaje de "carga" es . El rango de voltaje de "carga" se maximiza al mínimo. Además, cuando se utiliza una fuente de espejo de corriente como carga activa para una etapa de un sistema, la entrada a la siguiente etapa a menudo se conecta directamente entre el nodo de salida de la fuente y el mismo riel de alimentación que el espejo. Esto puede requerir que el mínimo mantenerse lo más pequeño posible para simplificar la polarización de la etapa siguiente y hacer posible apagar esa etapa completamente en condiciones transitorias o de sobremarcha.
El voltaje de salida mínimo del espejo de corriente de Wilson debe exceder el voltaje del emisor base de Q2 lo suficiente como para que Q3 opere en modo activo en lugar de saturación. Gilbert [3] reporta datos sobre una implementación representativa de un espejo de corriente Wilson que mostraba una corriente de salida constante para un voltaje de salida tan bajo como 880 milivoltios. Dado que el circuito estaba sesgado para el funcionamiento de alta frecuencia (), esto representa un voltaje de saturación para Q3 de 0,1 a 0,2 voltios. Por el contrario, el espejo estándar de dos transistores funciona hasta el voltaje de saturación de su transistor de salida.
El voltaje de entrada del espejo de corriente de Wilson es . El nodo de entrada es un nodo de baja impedancia por lo que su voltaje permanece aproximadamente constante durante la operación envoltios. El voltaje equivalente para el espejo estándar de dos transistores es solo una caída de emisor de base,, o la mitad que el espejo de Wilson. El espacio libre (la diferencia de potencial entre el riel de alimentación opuesto y la entrada del espejo) disponible para el circuito que genera la corriente de entrada al espejo es la diferencia entre el voltaje de la fuente de alimentación y el voltaje de entrada del espejo. El voltaje de entrada más alto y el voltaje de salida mínimo más alto de la configuración del espejo de corriente de Wilson pueden volverse problemáticos para circuitos con voltajes de suministro bajos, particularmente voltajes de suministro de menos de tres voltios como a veces se encuentran en dispositivos alimentados por batería.
Un espejo mejorado de cuatro transistores
Agregar un cuarto transistor al espejo de corriente de Wilson como en la Fig. 4a iguala los voltajes de colector de Q1 y Q2 al reducir el voltaje de colector de Q1 en una cantidad igual a V BE4 . Esto tiene tres efectos: primero, elimina cualquier desajuste entre el primer y segundo trimestre debido al efecto temprano en el primer trimestre. Esta es la única fuente de desajuste de primer orden en el espejo de corriente de Wilson de tres transistores. [8] En segundo lugar, a altas corrientes, la ganancia de corriente,, de transistores disminuye y la relación entre la corriente del colector y el voltaje base-emisor se desvía de . La gravedad de estos efectos depende del voltaje del colector. Al forzar una coincidencia entre los voltajes de colector de Q1 y Q2, el circuito hace que la degradación del rendimiento a alta corriente en las ramas de entrada y salida sea simétrica. Esto amplía sustancialmente el rango de funcionamiento lineal del circuito. En una medición informada en un circuito implementado con una matriz de transistores para una aplicación que requiere una salida de 10 mA, la adición del cuarto transistor extendió la corriente de operación para la cual el circuito mostró menos del 1 por ciento de diferencia entre las corrientes de entrada y salida en al menos un factor. de dos sobre la versión de tres transistores. [9]
Finalmente, igualar los voltajes del colector también iguala la potencia disipada en Q1 y Q2 y eso tiende a reducir el desajuste de los efectos de la temperatura en V BE .
Ventajas y limitaciones
Hay una serie de otras posibles configuraciones de espejo actuales además del espejo estándar de dos transistores que un diseñador puede optar por utilizar. [10] Estos incluyen aquellos en los que el desajuste de la corriente base se reduce con un seguidor de emisor, [3] circuitos que usan estructuras en casco o degeneración de la resistencia para reducir el error estático y aumentar la impedancia de salida, y espejos de corriente con aumento de ganancia que usan un amplificador de error interno para mejorar la eficacia del cascoding. El espejo actual de Wilson tiene las ventajas particulares sobre las alternativas que:
- El error estático, la diferencia de corriente de entrada-salida, se reduce a niveles muy pequeños atribuibles casi en su totalidad a desajustes aleatorios de dispositivos, mientras que la impedancia de salida aumenta en un factor de simultaneamente.
- El circuito utiliza recursos mínimos. No requiere voltajes de polarización adicionales o resistencias de área grande como lo hacen los espejos degenerados resistivamente o en casco.
- La baja impedancia de su entrada y nodos internos hace posible polarizar el circuito para operar a frecuencias de hasta .
- La versión de cuatro transistores del circuito tiene una linealidad extendida para operar a altas corrientes.
El espejo actual de Wilson tiene las limitaciones que:
- Los potenciales mínimos de entrada o salida a la conexión de riel común que se necesitan para un funcionamiento adecuado son más altos que para el espejo estándar de dos transistores. Esto reduce el espacio libre disponible para generar la corriente de entrada y limita el cumplimiento de la salida.
- Este espejo usa retroalimentación para aumentar la impedancia de salida de tal manera que el transistor de salida contribuye con ruido de fluctuación de corriente del colector a la salida. Los tres transistores del espejo de corriente de Wilson añaden ruido a la salida.
- Cuando el circuito está polarizado para operación de alta frecuencia con el máximo , el circuito de retroalimentación negativa que maximiza la impedancia de salida puede causar picos en la respuesta de frecuencia del espejo. Para un funcionamiento estable y silencioso, puede ser necesario modificar el circuito para eliminar este efecto.
- En algunas aplicaciones de un espejo de corriente, particularmente para aplicaciones de carga activa y polarización, es ventajoso producir múltiples fuentes de corriente a partir de una única corriente de referencia de entrada. Esto no es posible en la configuración de Wilson mientras se mantiene una coincidencia precisa de la corriente de entrada con las corrientes de salida.
Implementación de MOSFET
Cuando se usa el espejo de corriente de Wilson en circuitos CMOS, generalmente tiene la forma de cuatro transistores como en la Fig. 5. [10] Si los pares de transistores M1-M2 y M3-M4 coinciden exactamente y los potenciales de entrada y salida son aproximadamente igual, entonces en principio no hay error estático, las corrientes de entrada y salida son iguales porque no hay baja frecuencia o corriente continua en la puerta de un MOSFET. Sin embargo, siempre hay desajustes entre transistores causados por variaciones litográficas aleatorias en la geometría del dispositivo y por variaciones en el voltaje umbral entre dispositivos.
Para MOSFET de canal largo que operan en saturación a voltaje de fuente de drenaje fijo, , la corriente de drenaje es proporcional a los tamaños de los dispositivos y a la magnitud de la diferencia entre el voltaje de la fuente de la puerta y el voltaje de umbral del dispositivo como [1]
- ... (8)
dónde es el ancho del dispositivo, es su longitud y el voltaje umbral del dispositivo. Las variaciones litográficas aleatorias se reflejan como diferentes valores de larelación de cada transistor. De manera similar, las variaciones de umbral aparecen como pequeñas diferencias en el valor depara cada transistor. Dejar y . El circuito de espejo de la figura 5 fuerza la corriente de drenaje de M1 a igualar la corriente de entrada y la configuración de salida asegura que la corriente de salida sea igual a la corriente de drenaje de M2. Expandiendo la ecuación (8) en una serie de Taylor de dos variables sobre y truncar después del primer término lineal, conduce a una expresión para el desajuste de las corrientes de drenaje de M1 y M2 como:
- ... (9)
Las estadísticas de la variación en el voltaje umbral de pares emparejados a través de una oblea se han estudiado extensamente. [11] La desviación estándar de la variación de voltaje umbral depende del tamaño absoluto de los dispositivos, el tamaño mínimo de la característica del proceso de fabricación y el voltaje del cuerpo y es típicamente de 1 a 3 milivoltios. Por lo tanto, para mantener la contribución del término de voltaje de umbral en la ecuación (9) a un porcentaje o menos, se requiere polarizar los transistores con el voltaje de puerta-fuente que exceda el umbral en varias décimas de voltio. Esto tiene el efecto secundario de reducir la contribución de los transistores espejo al ruido de la corriente de salida porque la densidad del ruido de la corriente de drenaje en un MOSFET es proporcional a la transconductancia y, por lo tanto, inversamente proporcional a. [12]
De manera similar, se requiere un diseño cuidadoso para minimizar el efecto del segundo término geométrico en (9) que es proporcional a . Una posibilidad es subdividir los transistores M1 y M2 en varios dispositivos en paralelo que están dispuestos en un diseño centralizado común o interdigitado con o sin estructuras de protección ficticias en el perímetro. [13]
La impedancia de salida del espejo de corriente MOSFET Wilson se puede calcular de la misma manera que para la versión bipolar. Si no hay efecto corporal en M4, la impedancia de salida de baja frecuencia viene dada por. [10] Para que M4 no tenga un potencial de fuente corporal, debe implementarse en un pozo de cuerpo separado. Sin embargo, la práctica más común es que los cuatro transistores compartan una conexión corporal común. El drenaje de M2 es un nodo de impedancia relativamente baja y esto limita el efecto corporal. La impedancia de salida en ese caso es:
- ... (10)
Como en el caso de la versión de transistor bipolar de este circuito, la impedancia de salida es mucho mayor de lo que sería para el espejo de corriente estándar de dos transistores. Desde sería la misma que la impedancia de salida del espejo estándar, la relación de los dos es , que suele ser bastante grande.
La principal limitación en el uso del espejo de corriente Wilson en circuitos MOS son los altos voltajes mínimos entre la conexión a tierra en la Fig. 5 y los nodos de entrada y salida que se requieren para el funcionamiento adecuado de todos los transistores en saturación. [10] La diferencia de voltaje entre el nodo de entrada y tierra es. El voltaje de umbral de los dispositivos MOS suele estar entre 0,4 y 1,0 voltios sin efecto corporal dependiendo de la tecnología de fabricación. Porquedebe exceder el voltaje de umbral en unas pocas décimas de voltio para que la corriente de entrada y salida coincida satisfactoriamente, la entrada total al potencial de tierra es comparable a 2.0 voltios. Esta diferencia aumenta cuando los transistores comparten un terminal de cuerpo común y el efecto de cuerpo en M4 aumenta su voltaje de umbral. En el lado de salida del espejo, el voltaje mínimo a tierra es. Es probable que este voltaje sea significativamente mayor que 1.0 voltios. Ambas diferencias de potencial dejan un margen de maniobra insuficiente para los circuitos que proporcionan la corriente de entrada y utilizan la corriente de salida a menos que el voltaje de la fuente de alimentación sea superior a 3 voltios. Muchos circuitos integrados contemporáneos están diseñados para utilizar fuentes de alimentación de bajo voltaje para adaptarse a las limitaciones de los transistores de canal corto, para satisfacer la necesidad de dispositivos que funcionan con baterías y para tener una alta eficiencia energética en general. El resultado es que los nuevos diseños tienden a utilizar alguna variante de una configuración de espejo de corriente de cascodo de oscilación amplia . [10] [14] [15] En el caso de voltajes de suministro de energía extremadamente bajos de un voltio o menos, el uso de espejos de corriente puede abandonarse por completo. [dieciséis]
Ver también
Referencias
- ^ a b c d Sedra, AS & Smith, KC : "Circuitos microelectrónicos, 6ª edición", OUP (2010), págs. 539 - 541.
- ^ Wilson, GR (diciembre de 1968), "A Monolithic Junction FET-npn Operational Amplifier", IEEE J. Solid-State Circuits , SC-3 (4): 341–348, doi : 10.1109 / JSSC.1968.1049922
- ^ a b c d e f g h i j k l Gilbert, B., "Espejos de corriente bipolar", en "Diseño de circuitos integrados analógicos: el enfoque del modo de corriente", Eds. Toumazou, C., Lidgey, FJ y Haigh, DG, Peter Peregrinus Ltd. (1990), ISBN 0-86341-215-7 , págs. 268-275.
- ^ Gray y col. 2001 , págs. 299–232
- ^ Gray y col. 2001 , pág. 11
- ^ Gray y col. 2001 , págs. 327–329
- ^ Gray y col. 2001 , pág. 34
- ^ Gray y col. 2001 , pág. 278
- ^ Wilson, B., Current mirrors, amplifiers and dumpers, Wireless World, diciembre de 1981 págs. 47 - 51. En el momento del artículo, el autor estaba afiliado al Departamento de Instrumentación y Ciencia Analítica, Instituto de la Universidad de Manchester de Ciencia y Tecnología .
- ^ a b c d e Gray et al. 2001 , págs. 277–278, 329–331
- ^ Pelgrom MJM, Duinmaijer, ACJ y Welbers, APG, "Propiedades coincidentes de transistores MOS", IEEE J. Solid-State Circuits, 24 (octubre de 1989) págs. 1433-1440
- ^ Johns, David A. y Martin, Ken, "Diseño de circuitos integrados analógicos", John Wiley, 1997, págs. 199-201.
- ^ Baker, R. Jacob, Li, Harry W. y Boyce, David E., "Diseño, trazado y simulación de circuitos CMOS", IEEE Press, 1998, págs. 444-449.
- ^ Johns, David A. y Martin, Ken, "Diseño de circuitos integrados analógicos", John Wiley, 1997, págs. 256-265.
- ^ Babanezhad, Joseph N. y Gregorian, Roubik, "Circuito programable de ganancia / pérdida", IEEE J. Circuitos de estado sólido, SC-22 (diciembre de 1987) págs. 1082-1090.
- ^ Yang, Zhenglin; Yao, Libin; Lian, Yong (marzo de 2012), "A 0.5-V 35-μW 85-dB DR Double-Sampled ΔΣ Modulator for Audio Applications", IEEE J. Solid-State Circuits , 47 (3): 722–735, doi : 10.1109 /JSSC.2011.2181677
Otras lecturas
- Gray, Paul R .; Hurst, Paul J .; Lewis, Stephen H .; Meyer, Robert G. (2001), Análisis y diseño de circuitos integrados analógicos (4a ed.), John Wiley, ISBN 978-0-47132168-2
- ¿Cómo el espejo de corriente de Wilson iguala las corrientes? en Wikilibros
- ¿Cómo el espejo de corriente de Wilson mantiene la corriente? en Wikilibros