Kebutuhan untuk Kompensasi Suhu Cermin Saat Ini

10

Saat ini saya sedang belajar tentang konfigurasi mirror saat ini. Saya telah membuat dua dari mereka sejauh ini. Keduanya bekerja seperti yang diinginkan tetapi, ketika dipanaskan atau didinginkan, arus melalui sisi kanan (sisi tempat output diambil) menurun atau meningkat secara signifikan dengan perbedaan suhu yang kecil.

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

RlHaiSebuahd untuk kedua sirkuit rendah atau disingkat menjadi + 10V. Kedua sirkuit diatur untuk mencerminkan arus 500 uA. Semua transistor cocok dengan tangan (mereka semua sangat dekat satu sama lain sejauh beta yang bersangkutan).

Tanpa degenerasi emitor kedua sirkuit secara signifikan dipengaruhi oleh suhu, terutama Gambar. A, di mana arus melalui berubah sebesar 100 uA atau lebih (1 detik pemanasan) ketika saya menyentuh salah satu dari Q1 atau Q2 dengan ujung jari; tetapi karena transistor Q4 dan Q5 disentuh dengan ujung jari, arus melalui berubah sebesar 50 uA (1 detik pemanasan juga), yang kurang dari pada contoh pertama tetapi masih terlalu banyak.RlHaiSebuahd1RlHaiSebuahd2

Dengan degenerasi emitor kedua sirkuit sangat meningkatkan stabilitas suhu mereka. Sebagai contoh ( ditambahkan adalah 1 kOhm) jika saya mengacu pada Gambar. B, arus melalui berubah hanya sebesar 10 uA (ketika dipanaskan sekitar 1 detik), sedangkan hasilnya dengan Gambar. A agak lebih buruk.ReRlHaiSebuahd2

Kedua sirkuit ditingkatkan karena degenerasi emitor ditambahkan ke Q1 / Q2 atau Q3 / Q4. Dalam kedua contoh, arus melalui Q1 atau Q3 kira-kira konstan setiap saat tetapi arus melalui Q2 atau Q5 bahkan tidak dekat dengan itu.

  • Apakah ada cara untuk mengkompensasi salah satu dari rangkaian yang ditampilkan di sini, karena temperatur yang bervariasi? Saya pikir Q5 akan memperbaiki kesalahan variasi suhu saat ini tetapi jelas tidak.
Keno
sumber
1
Pencocokan Vbe vs T adalah penting bukan hanya beta yang merupakan keuntungan bagi IC bandgap Vref. Bisakah Anda membuatnya secara termal tetapi terisolasi dari ambient?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Saya pikir kamu melewatkan intinya. Jangan berharap dapat menstabilkannya jika Anda memanaskan transistor secara berbeda. Semua matematika jatuh seperti mabuk dan muntah. Anda berharap terlalu banyak.
Andy alias
@ TonyStewart.EEsince'75 Saya mengerti bahwa parameter lain seperti Vbe, beta, Early Voltage, dll penting tetapi beta hanyalah parameter yang dapat dengan mudah mengukur multimeter saya. Apakah Anda berpikir bahwa cermin yang digabungkan secara termal akan meningkatkan stabilitas suhu?
Keno
1
ya tentu saja .. tetapi Anda dapat menguji ini dengan perubahan temp simultan dan diferensial
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
1
Masalah Anda sebagian besar adalah suhu diferensial, tetapi untuk perbedaan kecil jangan mengabaikan fakta bahwa arus melalui resistor yang ditetapkan bergantung pada suhu karena Vbe turun dari suplai. Jika tegangannya lebih rendah, ketergantungannya akan lebih signifikan.
Spehro Pefhany

Jawaban:

12

Tiga langkah utama adalah

a) Gunakan sebanyak mungkin degenerasi emitor
b) Sesuaikan suhu Q1 dan Q2
c) Sesuaikan disipasi Q1 dan Q2

Untuk (b), paling tidak, rekatkan Q1 dan Q2 bersamaan. Jauh lebih baik adalah menggunakan array transistor monolitik seperti CA3046, yang membatasi 5 transistor yang dibuat pada substrat yang sama. Untuk pasangan yang benar-benar sangat cocok secara termal, pasangan 'SuperMatch' LM394 menggunakan ribuan transistor yang terhubung seperti papan catur.

Q5 tidak hanya meningkatkan impedansi output, tetapi juga mengontrol disipasi pada Q4. Bermain dengan tetes seri pada basis Q5 atau emitor untuk menyamakan kedudukan pertandingan disipasi Q3 / 4.

Solusi yang sedikit lebih rumit dengan bandwidth lebih sedikit tetapi jauh lebih presisi adalah menghilangkan Q1, dan menggunakan op-amp untuk menggerakkan Q2 untuk menyamakan penurunan tegangan pada Re1 / 2. Mengganti Q2 dengan FET menghilangkan kontribusi variasi beta dengan akurasi keluaran dengan baik. Maka Anda hanya perlu khawatir tentang amplifier Vos melayang dengan suhu, dan resistor tempco atau Re1 / 2.

Neil_UK
sumber
Disipasi pertandingan? Disipasi daya? Saat ini sebagian besar harus sama baik melalui Q1 dan Q2 tetapi apa yang terjadi dengan tegangan Vce di Q2 terutama tergantung pada resistensi beban yang akan diterapkan. Jika itu yang Anda maksud, kalau tidak, saya menemukan Anda sangat berguna.
Keno
1
@ Koeno Ada perbedaan signifikan dalam VCE untuk dua BJT di sirkuit Gambar A. Itu dapat menyebabkan pemanasan yang sangat berbeda pada dua BJT mirroring. Gambar B, karena ada satu VBE untuk Q4's VCE dan dua VBEs untuk Q3's VCE, harus ada dua kali pemanasan dalam satu vs yang lain, tapi itu lebih baik (setidaknya beberapa mitigasi perbedaan) karena efek awal ditambahkan kompensasi pengaturan Q5 .
jonk
5

Jika Anda ingin menjaga kedua transistor pada suhu yang sama, mereka harus memiliki disipasi yang sama (yaitu, arus dan tegangan yang sama). Ini juga menghaluskan beberapa sumber kesalahan lainnya (seperti tegangan awal). Skema kedua Anda tidak persis mencapai ini, karena VCE dari satu transistor lebih tinggi dari yang lain. Kita mulai:

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Ini adalah cermin Wilson penuh dan peran Q3 adalah untuk menjatuhkan satu Vbe untuk membuat V1 Q1 / Q2 sama.

Sumber murah BJT yang cocok ganda adalah DMMT3904 dan transistor ganda lainnya. Mereka tidak monolitik, sehingga pencocokan dan pelacakan suhu tidak sebagus yang mewah, tetapi mereka murah.

Jika Anda menginginkan presisi tertinggi, Anda harus menggunakan opamp offset rendah.

peufeu
sumber
1
Saya sudah menulis Keno tentang ini, tetapi belum menyebutkan rincian yang Anda tambahkan tentang BJT tambahan di Wilson penuh. Tambahan yang bagus +1 Dia menjelajahi ide-ide ini di papan luncur dan memanaskan berbagai hal untuk melihat apa yang terjadi. (Saya cukup terkesan dengan pengujian menyeluruhnya untuk melihat perilaku yang perlu dia pahami dengan lebih baik.) Tidak satu pun dari sirkuit ini, milik Anda atau Neil, yang membahas metode kompensasi beta. (Resitor emitor adalah tentang ISAT / VBE plus kompensasi temp, bukan beta.) Karena ia melakukan hal-hal yang terpisah, harus kembali 50 tahun untuk melihat bagaimana Widlar menangani hal-hal ini.
jonk
1
Ya, di zaman sekarang ini, rasanya menyenangkan melihat seseorang yang belajar elektronik dan benar-benar bereksperimen dan mencoba memahami detail alih-alih hanya menampar arduino di atasnya! ...
peufeu
3

Untuk mencapai sumber arus yang cocok, gunakan array transistor seperti RCA CA3046 (asli). Sekarang dijual oleh Harris atau Intersil. Pencocokan dengan emitor-base 5milliVolts, yaitu sekitar 10%. Untuk lebih baik dari itu, mengingat Anda tidak memiliki cara untuk menggunakan beberapa garis emitor dan inter-digitate, Anda akan memerlukan resistor degenerasi emitor.

analogsystemsrf
sumber
Saya ingin melihat CA3096 yang ditingkatkan di mana PNP lateral rendah dibuat untuk beroperasi sebanding dengan NPN di perangkat. Saya membutuhkan campuran NPN / PNP pada die yang sama. Saya mungkin harus menengahi barang yang terkutuk itu jika saya ingin mendapatkannya.
jonk
Motorola dulu menjualnya. Saya menggunakan mereka untuk membangun penjepit aktif pada simpul penjumlahan ADC. Terlalu lambat, karena saya mengabaikan Miller Capacitance dari penguat penjepit umpan balik. Mengenai NPN dan PNP yang sama cepatnya, Harris Corp di Melbourne FLA memiliki opamps yang dielektrik terisolasi, dibuat untuk bekerja dengan baik di lingkungan fluks radiasi, mungkin sehingga sistem panduan inertial dalam hulu ledak akan terus berkinerja akurat selama atmosfer yang sibuk secara atom.
analogsystemsrf
@jonk Terima kasih atas penyebutan Chabay, bulan lalu. Bacaan yang bagus. Mengenai transistor pada die yang sama, masih akan ada ketidaksesuaian termal sementara pada jangka waktu 114 uS, dengan asumsi perangkat terpisah 100 mikron. Jika FET dengan garis-garis interdigitated (seperti pasangan dapat dilakukan) dengan jarak Ma ke Mb 10u, tau termal akan 100X lebih cepat (kuadrat terbaliknya) pada 1,14uS; pada 1 mikron, tau termal adalah 11,4 nanodetik.
analogsystemsrf
Informasi tambahan yang menarik tentang konstanta waktu. Ini di luar pengalaman hobi saya, tetapi menarik sama saja.
Jonk
@ jonk Kami menggunakan efek timeconstant termal ini di alat Signal Chain Explorer untuk memprediksi Distorsi Termal dari sirkuit OpAmp, termasuk memanaskan pasangan karena perubahan arus keluaran (kali VDD dari opamp, sebagai perkiraan perubahan panas). Ditto untuk resistor. Meter kubik silikon memiliki Tau termal 11.400 detik, yang merupakan kebalikan dari difusi termal konstan fisika. Satu mikron kubik, 1 Juta X lebih kecil, adalah satu Triliun X lebih cepat pada 11,4 nanodetik.
analogsystemsrf