Токовое зеркало уменьшает эффект Эрли

Это просто факт жизни. Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, даже после компенсации влияния производственного разброса и температурных колебаний, все равно не является идеальным источником тока.

Одной из ложек дегтя в этой бочке меда является обусловленное эффектом Эрли влияние напряжения коллектора на ток коллектора. Иногда, если в техническом описании указана выходная проводимость h_OE, эффект Эрли можно приблизительно оценить по отношению h_OE к испытательному току.

Рисунок 1.	Токовое зеркало без использования вырождения эмиттера.

Типичное значение составляет 1% на вольт. На Рисунке 1 показано его влияние на работу простого токового зеркала, где: 

Здесь

V_CB – напряжение коллектор-база,
V_A – напряжение Эрли,
I_ERR – ток ошибки).

Если два транзистора согласованы, ток I2 должен быть равен току I1. Но вместо этого ток коллектора Q2 может увеличиваться на 1% на каждый вольт напряжения V_CB. Двузначное значение V_CB может привести к двузначному проценту погрешности. «Зеркало» получилось бы довольно затуманенным!

К счастью, квалифицированным специалистам в этой области хорошо известен простой способ смягчения эффекта Эрли. (См. Сноску). Вырождение эмиттера основано на эффекте, который в 4000 раз сильнее, чем влияние V_CB на ток коллектора I_C.

Рисунок 2.	Токовое зеркало с использованием вырождения эмиттера.

Это влияние напряжения база-эмиттер V_BE на ток коллектора, которое может легко снизить эффект Эрли на два порядка. На Рисунке 2 показано, как это работает:

На одинаковых резисторах R, подключенных последовательно к обоим эмиттерам, будут падать напряжения V_R = I1×R и I2×R, которые будут равны, если равны токи. Но если токи различаются (например, из-за эффекта Эрли), то возникнет разность напряжений V_BE… Кто бы мог сомневаться…

Это полезно, поскольку разность напряжений V_BE будет противодействовать начальной разности токов, и ее влияние будет значительным, даже если напряжение V_R мало. На Рисунке 3 показано, насколько значительно это снижает величину I_ERR.

Рисунок 3.	Нормализованный эффект Эрли (ось Y) в зависимости от напряжения вырождения эмиттера VE = IA×R (ось X). Обратите внимание, что всего лишь 50 мВ снижают эффект Эрли в 3 раза. Это действительно «ощутимо»!

Сноска

В одной из статей ранее обсуждались токовые зеркала и эффект Эрли: «Двустороннее зеркало – то есть, токовое зеркало» [1]. В лучших традициях кухни раздела Конструкторские идеи постоянный и опытный комментатор Ашутош предположил, как вырождение эмиттера может улучшить характеристики зеркала:

Что касается вырождения, я обнаружил, что полвольта при токе полной шкалы, скажем, 1 мА помогает гораздо лучше согласовать входной и выходной токи даже при одной десятой тока, и даже при совершенно случайно выбранных транзисторах. Полагаю, это связано с тем, что кривые будут ближе при меньших токах, так что даже падение в 50 мВ будет ощутимым.

Ашутош определенно попал в точку! 50 мВ действительно дают ощутимый (3:1) эффект!

Ссылка

1. Stephen Woodward. Двустороннее зеркало – то есть, токовое зеркало