Specchio di corrente ed operazionali

[Candy]

Forse oggi non ne ho avuto abbastanza del mio e mi sono lasciato trascinare da una configurazione circuitale che osservo da lungo tempo e della quale non sapevo nulla: lo spechio di corrente.
Sono andato a leggermi due righe e capirne i concetti salienti: veramente, non mi interessa di più. L'unica cosa che mi ha stupito ed incuriosito, è come lo si riesca fisicamente a realizzre? I due trasistor devono essere identici, subire le stesse derive termiche, ecc... Bella roba.

Ma non era questo il problema. Lo ricordo come ciruito perché, a memoria, so che è ampiamente usato negli amplificatori operazionali. Quindi, ora che so vagamente a cosa serve e come funziona, sono andato a vedermi i circuiti di alcuni operazionali più semplici e vedo che sono presenti, (gli specchi di corrente), già sullo stadio degli ingressi.

Ora, nella mia beata ignoranza e caprbio nel ragionare in tensione e non in corrente, ho maturato l'idea che lo specchio di corrente si comporti quindi come resistenza variabile, che varia allo stesso modo nel "ramo" dell'ingresso invertente, come nel "ramo" dell'ingresso non invertente. Mi sembra di intuire che l'ingresso invertente in sostanza varia la corrente dello specchio, mentre il circuito dell'ingresso non invertente si comporta di conseguenza.

Ora, so da solo di essere somaro. Se me lo dite anche voi perdete solo del tempo. E' una analisi blandamente verosimile quella sopra o sono fuori strada? Certo che se prendo qualche libro di elettronica e ci passo le serate forse ne caverei delle risposte. Il mio era il desiderio di fare qualche sforzo mentale senza suggerimenti altrui.

[Utdis1]

ho maturato l'idea che lo specchio di corrente si comporti quindi come resistenza variabile, che varia allo stesso modo nel "ramo" dell'ingresso invertente, come nel "ramo" dell'ingresso non invertente. Mi sembra di intuire che l'ingresso invertente in sostanza varia la corrente dello specchio, mentre il circuito dell'ingresso non invertente si comporta di conseguenza.

Per dirla in un altro modo, oltre il 99% della corrente che circola nell transistor d'ingresso passa nel suo collettore ed essendo la tensione di base uguale per tutti e due i transistor, con buona approssimazione è la stessa corrente che passa nel collettore del transistor di uscita.
Maggiore è il guadagno dei transistor minore è l'errore come pure minore è la tensione di lavoro del transistor di uscita e minore è la differenza fra i due transistor, oltre la fatto che devono essere il più possibile identici.

Il limite maggiore negli operazionali sono proprio gli specchi di corrente, ma d'altronde non si possono integrare le resistenze, almeno non in modo economico se non con la doppia tecnologia, bipolare-mos .

[IlGuru]

Nello specchio di corrente, in un transistor (quello con il cortocircuito tra collettore e base) si impone la corrente di collettore e la Vbe attraverso la rete di polarizzazione (la resistenza sul collettore).
Tutti gli altri transistor dello specchio che possono essre più di uno, avendo in comune la Vbe con il primo e la stessa transconduttanza gm (perché realizzati sullo stesso substrato di silicio con le stesse geometrie) si trovano a dover erogare la stessa Ic.
Tutte quelle correnti specchio sono riferimenti di corrente che nell' operazionale, o in generale nel circuito integrato, vengono usati per i loro propositi.
Sul circuito integrato porta via meno spazio un generatore di corrente fatto così che realizzare i resistori per polarizzare altri transistor.

[IsidoroKZ]

Alcune osservazioni di corsa.

Gli specchi con i transistori uguali, che specchiano sul serio, si fanno praticamente solo integrati, in modo da sfruttare la tecnologia per i transistori simili e la vicinanza per la stessa temperatura. Malgrado questo possono esserci ancora differenze costruttive e si mettono due resistenzine "uguali" sugli emettitori, anche per specchi integrati.

Malgrado cio` ci sono delle importanti asimmetrie fra i due lati dello specchio. Una e` dovuta al fatto che la VCE del transistore di ingresso, quello collegato a diodo, e` praticamente dalle parti di mezzo volt, mentre la VCE del transistore di uscita puo` essere parecchio piu` alta e quindi uno dei due transistori dissipa di piu`, cambia la tensione di accensione del transistore e quindi la corrente di uscita. Questo lo si puo` vedere ad esempio anche qui: la tabella mostra che quando la tensione di alimentazione aumenta il rapporto di specchiaggio cambia.

Si puo` limitare questo fenomeno usando specchi di corrente "a due piani" come il cascode, il Wilson e Wilson a 4 transistori.

Un'altra differenza e` l'impedenza vista all'ingresso e all'uscita, che e` molto diversa, di un rapporto di almeno 3 ordini di grandezza.

Analizzare il circuito in termini di tensioni e` possibile ma non conveniente. Con i triodi si poteva andare sia di tensione (amplificazione mu) che di corrente (pendenza o transconduttanza gm): i due approcci erano circa equivalenti perche' l'impedenza di uscita era relativamente bassa e stabile.

Gia` con i pentodi, benche' Thevenin e Norton funzionino sempre, non e` conveniente usare le tensioni in quanto una elevata impedenza di uscita, ma poco precisa, rende i conti traballanti e con risultati intermedi poco affidabili, anche se i risultati finali dovrebbero essere ragionevolmente giusti.

Con i transistori e` la stessa storia: sono intrinsecamente dei generatori controllati di corrente, con in parallelo una resistenza elevata e conosciuta solo molto approssimativamente: e` piu` facile fare i conti con la corrente, e spesso si trascura la resistenza parallelo, che invece diventa fondamentale se si vogliono fare i conti con gli equivalenti Thevenin.

[Candy]

Senza riferirmi agli specchi di corrente, anni fa avevo provato a giocare coi generatori di corrente a transistor, non integrati, con molta delusione proprio per la deriva termica.
Questo mio vecchio progetto usava, prima dell'operazionale IC4A e dintorni, un circuito a transistor BJT in retroazione, ma, benché retroazionato, minime variazioni di temperatura lo portavano a lavorare in punti diversi, con errore superiori al 20 % in più o meno rispetto al target. Il range di temperature passa, è vero, da -10 °C fino anche a 40°C.

Questa esperienza diretta mi ha fatto domandare come possa funzionare bene lo specchio di corrente in un operazionale e leggendo gli interventi ed il materiale linkato, noto che si portano dietro questo ed altri difetti.

Chiudo dicendo che il mio "voler" ragionare in tensione era riferito all'analisi circuitale dell'operazionale, ma, in fin dei conti, se è meglio pensare allo specchio in corrente, ne consegue che anche tutto il resto va dietro a questa necessità. Non sono un elettronico, e non costruisco operazionali. Era veramente una sola e pura curiosità.