Specchi corrente ver 1.5

INDIRIZZAMENTO DI CORRENTE (CURRENT STEERING)

Nei circuiti integrati è spesso necessario, a partire da una corrente di riferimento ,

crearne delle copie, eventualmente scalate di un determinato fattore, sia di tipo sink

(assorbitori di corrente, entrante) sia di tipo source (erogatori di corrente, uscente).

Nello schema qui a lato si vede come il transistore

genera una tensione a partire dalla

sink

assegnata. Il transistore svolge la funzione di sink

di corrente, genera la corrente di riferimento per

la coppia p-channel e nella quale

rappresenta un source di corrente.

A partire dalla le varie correnti possono stabilirsi

source

variando i fattori di forma in base alle formule:

= ∙ ∙

= ∙

Ci si può chiedere se esista un riferimento di corrente primario da usare al

posto della visto che, usando una semplice resistenza, la corrente

dipende dalla tensione di alimentazione (si veda l'espressione di e la

=

risoluzione grafica).

=

Il problema viene spesso risolto con l'impiego di un J-FET o di un MOSFET a

svuotamento (dispositivi a negativa) collegati con il gate cortocircuitato

=

con il source, in modo che sia .

Il dispositivo si trasforma in un bipolo con la caratteristica rappresentata qui a

=

fianco (l'unica curva da considerare è quella a ).

≥ −

Per ogni la si mantiene pressoché costante.

3

= −

- Specchi di corrente a BJT

In maniera del tutto simile a quanto già visto con i MOSFET, è possibile

implementare uno specchio di corrente a BJT (configurazione base).

Esso è composto da una coppia di BJT che possono avere o meno eguali

dimensioni, ma certamente devono trovarsi alla stessa temperatura.

Uno dei due transistori ( ) è connesso a diodo, avendo un cortocircuito

tra la base e collettore. Sul collettore di questo transistore è posta una

sorgente di corrente (può anche essere una semplice resistenza).

e condividono inoltre la stessa . In condizioni di eguaglianza

tra i dispositivi, il secondo transistore ( ) cercherà di replicare sul suo

collettore la corrente del primo. Ciò però vale in prima approssimazione.

≈ =

Dal rapporto tra le due Quindi le due correnti sono legate

≈ ∙

relazioni si ottiene: dal rapporto tra i fattori di scala.

= =

− − .

Nel caso sia presente una si può agevolmente ricavare la come: = =

La maggiore differenza con il lo specchio a MOSFET è che nel caso dei BJT esistono le correnti di base,

=

piccole ma non sempre trascurabili. Cerchiamo di tenerne conto ed effettuare qualche calcolo (Ip.: ).

=

da cui:

= + = + = + = +

+

Quindi, a causa delle correnti di base, la corrente di uscita è diversa dalla .

L'errore diminuisce all'aumentare del . Questo errore non esiste con i MOSFET! 4

- Specchio di corrente a BJT con compensazione delle correnti di base

Per cercare di ridurre l'errore sulla corrente di uscita , che non è uguale

alla , si può modificare il circuito introducendo un terzo transistor . In

questo modo le correnti di base dei due transistori e non sono

direttamente sottratte dalla , ma sono prima ridotte di un fattore .

Infatti (supponendo i tre BJT uguali tra di loro):

= = ; = =

+ +

= + = + = +

+ +

= ≈

= + ;

+ + +

+

L'errore sulla corrente si è quindi ridotto di ulteriore fattore rispetto al caso precedente e, per valori di

sufficientemente grandi, può diventare assolutamente trascurabile. Abbiamo così risolto un problema!!!

Tuttavia, sia nella configurazione base, sia in quella con compensazione delle correnti di base, la

resistenza d'uscita del circuito vista dal collettore del transistore di uscita è legata alla del

transistore stesso (si consideri lo schema dinamico del circuito).

Bisogna quindi considerare delle diverse configurazioni in

grado di aumentare il valore della . In generale ciò può +

essere ottenuto mettendo in serie all'emettitore una

"resistenza di degenerazione" di qualche natura, come -

vedremo in seguito. 5

- Esercizio:

Calcolare l'espressione completa della resistenza d'uscita vista dal collettore del

transistore nel caso in cui la sua base sia collegata verso massa da una resistenza e

sull'emettitore sia presente una resistenza di degenerazione .

+

+

+

+

+

-

-

−

Maglia d'ingresso: + + + = ; =

+ +

+ +

Maglia esterna: = − − + = − + + = +

+ +

Casi particolari:

+ +

= = + ∙

+ + = =

- Se si ottiene:

+

cioè è data dalla somma di con il parallelo

= = + ∙ = + ( + )

- Se si ottiene:

+ + ( + )

tra e moltiplicato per

> ≈ + ( + ) ≈ + ≈

In particolare se si ottiene:

< ≈ + ( + ) ≈ + ≈

In particolare se si ottiene:

→ ∞ = + ∙ ≈

- Nel caso di un MOSFET per cui si ottiene:

6

- Specchio di corrente di Wilson a BJT

Lo specchio di corrente di Wilson risolve simultaneamente, con

un circuito a soli tre transistori, sia il problema della bassa

impedenza di uscita sia quello dell'errore sulla corrente d'uscita.

Si osservi la particolarità che il transistore connesso a diodo

non si trova sotto il generatore ma sotto l'altro ramo!

Per quanto riguarda l'impedenza di uscita, dopo un bel po’ di

conti si ricava che:

≈

Cerchiamo invece di ricavare l'espressione dell'errore sulla .

+

= + ; = ; = + = + =

+

( + )

= =

= = ;

+

+ ( + )

+ +

+ ( + )

+ +

= = = = = ≈

+

+++ + + + +

+ +

+

+

+

+

Si è ottenuta quindi una espressione molto simile a quella prima ricavata per lo specchio di corrente

con compensazione della corrente di base, ma nello stesso tempo abbiamo una resistenza di uscita

molto superiore! 7

- Specchio di corrente di Widlar a BJT

Lo specchio di corrente di Widlar risolve il problema di generare una piccola

corrente a partire da una corrente di riferimento molto più grande.

Vedremo inoltre che il circuito è caratterizzato anche da una resistenza

d'uscita piuttosto elevata.

La peculiarità del circu