Necessidade de compensação de temperatura do espelho atual


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Atualmente, estou aprendendo sobre configurações de espelho atuais. Eu fiz dois deles até agora. Ambos funcionaram como desejado, mas, quando aquecidos ou resfriados, a corrente no lado direito (o lado de onde a saída é retirada) diminuiu ou aumentou significativamente com pequenas diferenças de temperatura.

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Rload para ambos os circuitos estava baixo ou em curto para + 10V. Ambos os circuitos foram configurados para refletir a corrente de 500 uA. Todos os transistores foram correspondidos manualmente (eles estão muito próximos um do outro no que diz respeito ao beta).

Sem a degeneração do emissor, ambos os circuitos foram significativamente afetados pela temperatura, especialmente a Fig. A, onde a corrente através de mudou em 100 uA ou mais (1 segundo de aquecimento) quando toquei em Q1 ou Q2 com a ponta do dedo; mas como os transistores Q4 e Q5 foram tocados com uma ponta do dedo, a corrente em mudou em 50 uA (1 segundo de aquecimento também), o que é menor do que no primeiro exemplo, mas ainda é muito.Rload1Rload2

Com a degeneração do emissor, ambos os circuitos melhoraram bastante sua estabilidade de temperatura. Por exemplo (o adicionado foi de 1 kOhm) se eu me referir à Fig. B, a corrente através de mudou apenas 10 uA (quando aquecida por aproximadamente 1 segundo), enquanto o resultado com a Fig. A foi um pouco pior.ReRload2

Ambos os circuitos são aprimorados à medida que a degeneração do emissor é adicionada ao Q1 / Q2 ou Q3 / Q4. Nos dois exemplos, a corrente no Q1 ou Q3 era aproximadamente constante o tempo todo, mas a corrente no Q2 ou Q5 não era nem perto disso.

  • Existe alguma maneira de compensar qualquer um dos circuitos mostrados aqui, devido à variação de temperatura? Eu pensei que o Q5 iria corrigir o erro de variação de temperatura na corrente, mas obviamente não.

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A combinação Vbe vs T é importante, não apenas o beta, que é uma vantagem para um Vref do IC bandgap. Você pode fazê-los acoplados termicamente, mas isolados do ambiente?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Eu acho que você está perdendo o ponto. Não espere estabilizá-lo se você aquecer os transistores de maneira diferente. Toda a matemática cai sobre bêbados e vômitos. Você espera demais.
Andy aka

@ TonyStewart.EEsince'75 Entendo que outros parâmetros como Vbe, beta, Early Voltage etc. são importantes, mas beta é o único parâmetro que pode ser facilmente medido no meu multímetro. Você acha que o espelho termicamente acoplado melhoraria a estabilidade da temperatura?
Keno

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sim, é claro .. mas você pode testar isso com alterações simultâneas e diferenciais de temperatura
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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Seu problema é principalmente a temperatura diferencial, mas para pequenas diferenças não negligencie o fato de que a corrente através do resistor definido depende da temperatura devido às quedas de Vbe da fonte. Se fosse uma voltagem mais baixa, a dependência seria mais significativa.
Spehro Pefhany

Respostas:


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Os três passos principais são

a) Use o máximo de degeneração de emissor possível
b) Combine as temperaturas de Q1 e Q2
c) Combine a dissipação de Q1 e Q2

Para (b), no mínimo, cole Q1 e Q2 juntos. Muito melhor é usar um conjunto de transistores monolíticos como o CA3046, que contém 5 transistores feitos no mesmo substrato. Para um par termicamente realmente resistente, o par LM394 'SuperMatch' usa milhares de moldes de transistor conectados como um tabuleiro de xadrez.

Q5 não apenas aumenta a impedância de saída, mas também controla a dissipação no Q4. Jogue com quedas de série na base Q5 ou no emissor para equalizar a partida de dissipação Q3 / 4.

Uma solução um pouco mais complicada, com menos largura de banda, mas com muito mais precisão, é acabar com o Q1 e usar um amplificador operacional para acionar o Q2 para equalizar as quedas de tensão no Re1 / 2. Substituir Q2 por um FET elimina qualquer contribuição da variação beta para a precisão da saída. Então, você só precisa se preocupar com o desvio do Vos do amplificador com a temperatura e os resistores tempco ou Re1 / 2.


Combinar dissipação? Dissipação de energia? A corrente deve ser maioritariamente igual em Q1 e Q2, mas o que está acontecendo com a tensão Vce em Q2 depende principalmente da resistência da carga a ser aplicada. Se foi isso que você quis dizer, caso contrário, achei muito útil.
Keno

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@Keno Existem diferenças significativas no VCE para os dois BJTs no circuito da Figura A. Isso pode levar a um aquecimento muito diferente nos dois BJTs espelhados. Figura B, uma vez que existe um VBE para o VCE do Q4 e dois VBEs para o VCE do Q3, deve haver o dobro do aquecimento de um em relação ao outro, mas isso é melhor (pelo menos alguma atenuação das diferenças) por causa do arranjo Q5 compensador de efeito antecipado adicionado .
jonk

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Se você deseja manter os dois transistores na mesma temperatura, eles devem ter a mesma dissipação (ou seja, a mesma corrente e a mesma tensão). Isso também suaviza algumas das outras fontes de erro (como tensão inicial). Seu segundo esquema não consegue exatamente isso, pois o Vce de um transistor é maior que o outro. Aqui vamos nós:

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Este é um espelho completo de Wilson e o papel do Q3 é derrubar um Vbe para tornar o Vce do Q1 / Q2 igual.

Uma fonte barata de BJTs de dupla correspondência é o DMMT3904 e outros transistores duplos. Eles não são monolíticos; portanto, a correspondência e o rastreamento de temperatura não são tão bons quanto os sofisticados, mas são baratos.

Se você quiser precisão máxima, precisará usar um opamp de baixo deslocamento.


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Eu escrevi para Keno sobre isso, mas ainda não havia mencionado os detalhes que você adicionou sobre o BJT adicional no Wilson completo. Boa adição. +1 Ele está explorando essas idéias em protoboards e diferentemente aquecendo as coisas para ver o que acontece. (Estou bastante impressionado com o teste completo dele para ver comportamentos que ele precisa entender melhor.) Nenhum desses circuitos, o seu ou o de Neil, discute métodos para compensação beta. (Os resistores de emissor são sobre ISAT / VBE mais compensação de temperatura, não beta.) Como ele faz coisas discretas, deve voltar 50 anos para ver como Widlar lidou com essas coisas.
jonk

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Sim, neste dia e idade, é bom ver alguém que aprende eletrônicos e, na verdade, experiências e tenta entender os detalhes em vez de apenas batendo um Arduino em cima dela ...!
peufeu

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Para obter fontes de corrente correspondentes, use matrizes de transistor como o RCA CA3046 (original). Agora é vendido por Harris ou Intersil. A correspondência corresponde à base de emissor de 5milliVolts, que é cerca de 10%. Para melhor que isso, como você não tem como usar várias faixas de emissor e digitá-las entre si, precisará de resistores de degeneração de emissor.


Eu adoraria ver um CA3096 aprimorado, onde os PNPs laterais baixos são feitos para operar comparativamente com os NPNs no dispositivo. Eu preciso de NPN / PNP misto no mesmo dado. Provavelmente terei que intermediar a coisa que quiser, se quiser comprar uma.
jonk

A Motorola costumava vender isso. Usei-os para construir um grampo ativo no nó de soma de um ADC. Estava muito lento, porque eu estava ignorando a Capacitância Miller do amplificador de grampo de feedback. Com relação à NPN e PNP igualmente rápidas, a Harris Corp em Melbourne FLA possui opamps isolados dieletricamente, criados para ter um bom desempenho em ambientes de fluxo de radiação, provavelmente para que os sistemas de orientação inercial nas ogivas continuem a ter um desempenho preciso durante uma atmosfera atômica.
Analogsystemsrf 5/0318

@ Jonk Obrigado pela menção de Chabay, meses atrás. Uma boa leitura. Em relação aos transistores na mesma matriz, ainda haverá incompatibilidades térmicas transitórias no período de 114 uS, assumindo que os dispositivos estejam separados por 100 mícron. Se os FETs com faixas interdigitadas (como pares de diferenças podem ser feitos) com espaçamento de Ma para Mb de 10u, a tau térmica será 100X mais rápida (sua curva inversa) a 1,14uS; em 1 mícron, o tau térmico é de 11,4 nanossegundos.
Analogsystemsrf

Informações adicionais interessantes sobre as constantes de tempo. Isso está fora das minhas experiências amadores, mas interessante da mesma forma.
jonk

@ jonk Usamos esses efeitos térmicos constantes do tempo na ferramenta Signal Chain Explorer para prever a distorção térmica dos circuitos OpAmp, incluindo o aquecimento dos diffpairs devido às mudanças na corrente de saída (vezes VDD do opamp, como variação aproximada no calor). O mesmo vale para resistores. Um metro cúbico de silício possui Tau térmico de 11.400 segundos, que é o inverso da difusividade térmica constante da física. Um mícron cúbico, 1 milhão de X menor, é um trilhão de X mais rápido a 11,4 nanossegundos.
Analogsystemsrf 6/0318
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