Mạch phản chiếu dòng điện là gì? đặc tính và ứng dụng
Nội dung chính [Hiện]
Mạch phản chiếu dòng điện, hay còn gọi là current mirror circuit, là một loại mạch điện được sử dụng để tạo ra một dòng điện giống hoặc tương tự dòng điện tham chiếu đã được xác định trước. Mạch này thường được sử dụng trong các ứng dụng như giai đoạn khuếch đại, điều khiển tự động và phân tích tín hiệu.
Cấu trúc cơ bản của mạch phản chiếu dòng điện bao gồm hai hoặc nhiều transistor, trong đó một transistor được sử dụng làm nguồn dòng điện tham chiếu và các transistor khác được kết nối để tạo ra dòng điện tương tự. Nguyên tắc hoạt động của mạch này là dựa trên khả năng của transistor trong việc duy trì một tỷ lệ dòng điện nhất định giữa các chân của chúng khi được hoạt động ở vùng tuyệt đối.
Trong mạch phản chiếu dòng điện, transistor tham chiếu được điều chỉnh để tạo ra một dòng điện được xác định. Dòng điện này sau đó được sao chép hoặc phản chiếu bởi các transistor khác trong mạch để tạo ra một dòng điện tương tự hoặc có tỷ lệ xác định. Điều này đảm bảo rằng các transistor trong mạch hoạt động trong cùng một điều kiện và tạo ra các tín hiệu tương tự.
Mạch phản chiếu dòng điện có nhiều ứng dụng trong điện tử, như tạo điện áp tham chiếu ổn định, điều khiển biến áp, tạo độ phân giải cao trong quá trình chuyển đổi tín hiệu, và tạo các mạch bias cho các giai đoạn khuếch đại. Nó giúp cải thiện độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện tử và đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được hiệu suất và chất lượng tín hiệu tốt.
Tuy mạch phản chiếu dòng điện có nhiều ưu điểm, nhưng cũng có một số hạn chế như độ chính xác bị ảnh hưởng bởi sự không đồng đều trong việc sản xuất transistor và ảnh hưởng của nhiệt độ. Do đó, khi thiết kế và sử dụng mạch phản chiếu dòng điện, cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này để đảm
I. Mạch phản chiếu dòng điện là gì?
Current mirror circuit hay còn gọi là mạch phản chiếu dòng điện là một kỹ thuật phổ biến trong thiết kế nguyên khối IC. Kỹ thuật này cho phép sao chép dòng điện từ một thiết bị hoạt động sang một thiết bị khác với tính năng điều khiển dòng điện. Dòng điện chạy qua một thiết bị có thể được sao chép sang thiết bị khác ở dạng nghịch lưu, giúp điều khiển dòng điện trong một thiết bị thông qua điều khiển dòng điện trong thiết bị khác. Nếu dòng điện của thiết bị đầu tiên thay đổi, đầu ra dòng điện của thiết bị khác cũng sẽ thay đổi theo cùng một tỷ lệ. Mạch phản chiếu dòng thường được gọi là CCCS
Xem thêm : Mạch đo và các thành phần của mạch đo
II. Đặc tính và sự phụ thuộc của mạch phản chiếu dòng điện
Mạch phản chiếu dòng điện có những đặc tính đáng chú ý và phụ thuộc vào một số yếu tố quan trọng. Dưới đây là mô tả lại về đặc tính và sự phụ thuộc của mạch phản chiếu dòng điện:
-
Độ chính xác: Hiệu suất của mạch phản chiếu dòng điện phụ thuộc vào độ chính xác của transistor được sử dụng và khả năng duy trì tỷ lệ dòng điện. Yếu tố này có thể bị ảnh hưởng bởi sự không đồng đều trong sản xuất transistor và ảnh hưởng của nhiệt độ. Do đó, cần lưu ý đến độ chính xác khi thiết kế và sử dụng mạch phản chiếu dòng điện.
-
Điện áp tham chiếu: Mạch phản chiếu dòng điện sử dụng transistor tham chiếu để tạo ra một điện áp hoặc dòng điện tham chiếu cố định. Điện áp này quyết định mức đầu ra của mạch và ảnh hưởng đến hiệu suất và ổn định của nó. Chọn một transistor tham chiếu có điện áp tham chiếu phù hợp là quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác của mạch.
-
Điện áp và dòng điều khiển: Mạch phản chiếu dòng điện yêu cầu một điện áp hoặc dòng điều khiển để điều chỉnh dòng điện đầu ra. Sự phụ thuộc này đảm bảo rằng mạch hoạt động trong vùng tuyệt đối của transistor và tạo ra dòng điện tương tự hoặc có tỷ lệ xác định. Điện áp và dòng điều khiển phải được thiết kế và điều chỉnh phù hợp để đạt được kết quả mong muốn từ mạch phản chiếu dòng điện.
-
Nhiễu và ổn định: Mạch phản chiếu dòng điện có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu và không ổn định trong môi trường hoạt động. Nhiễu có thể xuất hiện từ các yếu tố bên ngoài như dao động nhiễu, nhiễu điện từ và biến động nhiệt độ. Để đảm bảo hoạt động ổn định và giảm thiểu nhiễu, cần áp dụng các biện pháp cải tiến như cung cấp nguồn điện ổn định, sử dụng bộ lọc nhiễu và kiểm soát nhiệt độ môi trường.
-
Tương thích với tải: Mạch phản chiếu dòng điện cần tương thích với tải được kết nối với nó. Điều này đảm bảo rằng mạch có thể cung cấp đủ dòng điện cho tải và không gây ra sự biến đổi lớn trong mức đầu ra khi tải thay đổi. Điện trở tải, điện dung và điện áp tải là các yếu tố cần được xem xét để đảm bảo tương thích tốt với tải.
Nhìn chung, mạch phản chiếu dòng điện có đặc tính phụ thuộc vào độ chính xác, điện áp tham chiếu, điện áp và dòng điều khiển, nhiễu và ổn định, cũng như tương thích với tải. Hiểu rõ những đặc tính này là quan trọng để thiết kế và sử dụng mạch phản chiếu dòng điện một cách hiệu quả và đáng tin cậy.
III. Hạn chế trong mạch phản chiếu dòng điện thực tế
Mạch phản chiếu dòng điện là một mạch đơn giản nhưng cũng có một số hạn chế khi áp dụng vào các ứng dụng thực tế, bao gồm:
-
Độ chính xác của mạch phụ thuộc vào giá trị các linh kiện điện tử được sử dụng, đặc biệt là trở kháng và tụ điện. Sự thay đổi trong giá trị của các linh kiện này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch phản chiếu.
-
Độ ổn định của mạch phụ thuộc vào nhiệt độ và điện áp nguồn điện. Sự thay đổi trong nhiệt độ hoặc điện áp nguồn có thể làm thay đổi giá trị của các linh kiện trong mạch phản chiếu, gây ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch.
-
Tần số hoạt động của mạch phản chiếu có giới hạn. Mạch phản chiếu dòng điện có thể hoạt động ở tần số tương đối thấp, giới hạn phạm vi 10Hz - 100kHz, tùy thuộc vào giá trị các linh kiện điện tử được sử dụng.
-
Mạch phản chiếu dòng điện có thể gây nhiễu đến các mạch khác trong hệ thống. Điều này có thể xảy ra do sự phân cực của transistor hoặc nhiễu từ môi trường bên ngoài.
-
Tùy thuộc vào cấu trúc của mạch phản chiếu dòng điện, mạch này có thể tiêu tốn một lượng năng lượng tương đối lớn, làm tăng chi phí vận hành của hệ thống.
IV. Mạch phản chiếu dòng điện sử dụng BJT
Mạch phản chiếu dòng điện sử dụng BJT là một mạch điện tử dùng để tạo ra một tín hiệu dòng điện phản chiếu trên đầu ra của mạch dựa trên tín hiệu điều khiển đầu vào. Mạch này thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển dòng điện hoặc để phát hiện và bảo vệ chống quá tải.
Mạch phản chiếu dòng điện sử dụng BJT được xây dựng từ một transistor bipola (BJT) được kết nối với một điện trở và một nguồn điện. Điện trở được kết nối với đầu ra của mạch và làm việc như một phần tử đo dòng điện.
Tín hiệu điều khiển đầu vào được áp dụng vào đầu vào của mạch, và khi tín hiệu này thay đổi, dòng điện chạy qua transistor BJT cũng sẽ thay đổi tương ứng. Do đó, đầu ra của mạch sẽ tạo ra một tín hiệu phản chiếu dòng điện có thể được đo bằng điện trở kết nối với đầu ra của mạch.
Mạch phản chiếu dòng điện sử dụng BJT có nhiều ứng dụng trong việc đo dòng điện, điều khiển dòng điện, và bảo vệ chống quá tải. Với thiết kế đơn giản và độ tin cậy cao, mạch này đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều hệ thống điện tử.
Để hiểu về hoạt động của mạch, ta cần nắm vững đặc tính của transistor. Ở chế độ tích cực, ta có tỷ số β giữa dòng collector và dòng base, và tỷ số ɑ giữa dòng emitter và dòng collector, với công thức: ɑ = β / (β + 1). Ta có thể cung cấp dòng điện phát không đổi bằng cách nhân dòng điện đó với tỷ lệ ɑ không đổi và cung cấp dòng điện thu không đổi. Một diode phân cực thuận được dùng song song với điểm nối cực phát-gốc để cung cấp điện áp không đổi cho transistor. Tuy nhiên, dòng điện qua diode có thể được điều khiển bằng điện trở phân cực. Nếu giảm dòng điện qua diode bằng cách tăng giá trị của điện trở phân cực, điện áp trên diode cũng giảm. Khi giảm điện áp điểm nối base-emitter, dòng điện phát cũng giảm theo tỷ lệ tương tự vì ɑ và β của transistor là không đổi. Bằng cách thay đổi dòng điện qua diode, ta có thể kiểm soát dòng điện phát ra của transistor và đồng thời, dòng điện collector của transistor cũng thay đổi theo tỷ lệ tương tự. Qua quy tắc này, ta có thể đo dòng phát của transistor vào collector của transistor và điều khiển dòng collector của transistor bằng điện trở phân cực.
Mạch phản chiếu dòng điện được tạo ra bằng cách sử dụng hai transistor T1 và T2 giống nhau và được đặt gần nhau để truyền nhiệt bằng nhau.
T1 và T2 được mắc song song với nhau. Do đó, hai transistor có cùng dòng điện. Vì vậy, cách tốt nhất để xác định dòng điện đầu ra là cộng dòng điện nút, nơi I REF đang chạy.
Theo định luật Kirchhoff, dòng điện tại collector T1 là :
Iref = Ic + IB1 + IB2
Do đó, khi cả hai transistor làm việc với sai lệch base-collector bằng không, dòng điện base bằng nhau
Dòng điện base của T1 (IB1) = Dòng điện base của T2 (IB2) = Tổng dòng điện base của nút (IB)
Điện trở đầu ra hữu hạn của transistor đầu ra có thể được tính bằng công thức dưới đây:
R = VA + VCE / IC
Các điện áp phù hợp, nơi V DG = 0 và hành vi nhân bản hiện nay vẫn hoạt động trong các điện áp đầu ra thấp nhất, có thể được tính toán như thế này:
VCV = VT*ln ((IC / IS) +1)) Trong đó VT là điện áp nhiệt và IS là cường độ dòng điện.
Ví dụ về sao chép (gần đúng) dòng từ nhánh có điện trở lớn sang nhánh có điện trở nhỏ:
Trong lĩnh vực sản xuất mạch tích hợp, mạch phản chiếu dòng điện có rất nhiều ứng dụng khác nhau. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của mạch này là tạo ra nguồn dòng tiêu chuẩn. Kỹ thuật này cho phép tạo ra nhiều điểm tham chiếu từ một nguồn duy nhất, giúp thay đổi nguồn dòng điện thông qua các phần khác nhau của mạch.
Việc tạo ra nguồn dòng tiêu chuẩn là rất quan trọng trong thiết kế mạch tích hợp. Khi có một nguồn dòng tiêu chuẩn, ta có thể sử dụng nó để kiểm tra và hiệu chỉnh các thành phần khác trong mạch. Nó cũng giúp đảm bảo rằng mạch hoạt động đúng và ổn định trong nhiều trường hợp khác nhau.
Ngoài ra, mạch phản chiếu dòng điện cũng được sử dụng để điều khiển tần số hoặc dòng điện trong một số ứng dụng khác nhau. Khi điều khiển các thông số này, ta có thể đảm bảo rằng mạch hoạt động theo đúng yêu cầu và đáp ứng được các yêu cầu của ứng dụng.
Trong tổng quát, mạch phản chiếu dòng điện là một công cụ hữu ích trong thiết kế và sản xuất mạch tích hợp, giúp đảm bảo rằng mạch hoạt động đúng và ổn định trong nhiều trường hợp khác nhau.
