Mạch Current Mirror dùng BJT

Trong tầng vi sai của vài mạch công suất, thỉnh thoảng chúng ta gặp con transistor nối tắt cực C và B. Tớ có hỏi anh Đoàn về cách hoạt động và chức năng của nó thì anh Đoàn cho một key word là mirror current. Tớ tìm hiểu trên mạng và dịch thoát nghĩa dưới đây, các bạn có thể tham khảo.

----------------------------------

Nguồn từ https://www.allaboutcircuit.com

Mạch Current Mirror dùng BJT

Bài này mô tả một mạch có tên gọi “current mirror”, sử dụng transistor lưỡng cực (bipolar junction transistor, BJT), hoạt động như là một bộ phận điều tiết làm ổn dòng điện, cung cấp dòng hằng (dòng điện không đổi) cho những tải có giá trị kháng trở khác nhau.

Chúng ta biết rằng một transistor khi ở chế độ active (không phải trạng thái ngưng dẫn hay bão hòa) thì Ic=beta.Ib, trong đó beta là hệ số khuyếch đại (dao động trong khoảng 100 đến 300, tùy vào mỗi con transistor), Ic là dòng ămpe chạy qua cực C và Ib là dòng ămpe chạy qua cực B của transistor. Ngoài ra Ie=Ic Ib=(1 beta).Ib, với Ie là dòng ămpe chạy qua cực E của transistor. Vậy nếu chúng ta biết cách giữ cho dòng Ib duy trì ở trạng thái hằng thì dòng Ic và Ie cũng vậy.

Nhớ rằng mối tiếp giáp BE của BJT là mối tiếp giáp PN của 2 loại chất bán dẫn dương và âm, giống như trong diode, và phương trình diode cho thấy dòng đi qua tiếp giáp PN sẽ phụ thuộc vào điện áp phân cực thuận rơi ở hai đầu diode và phụ thuộc vào nhiệt độ:

Nếu cả điện áp rơi và nhiệt độ đều không đổi thì dòng qua tiếp giáp PN cũng không đổi. Trên cơ sở đó, nếu chúng ta giữ cho mức volt BE của transistor và nhiệt độ ở trạng thái hằng thì dòng Ic và Ie cũng là hằng với bất cứ sự thay đổi trị số nào về trở kháng của tải R_load, miễn là điện áp nguồn cấp cho transistor đủ để nó hoạt động ở chế độ active.

Để duy trì điện áp BE của transistor không đổi, ta dùng một diode được phân cực thuận và mắc song song với mối tiếp giáp BE như hình sau, nó sẽ có điện áp rơi ở hai đầu xấp xỉ 0.7 volts

Thực tế, điện áp rơi trên diode không chính xác là 0.7 volts. Trị số chính xác của điện áp rơi tùy thuộc vào dòng đi qua diode và tùy thuộc vào nhiệt độ của diode, tất cả thỏa phương trình diode. Nếu dòng diode tăng lên (ví dụ, ta làm giảm trị số trở kháng của R_bias), điện áp rơi trên diode cũng sẽ tăng nhưng rất là ít (cho nên điện áp rơi trên diode xem như hằng. Nhìn vào đường đặc tuyến volt ampere minh họa sẽ rõ hơn. Các bạn đọc thêm về diode: https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/introduction-to-diodes-and-rectifiers/), và điện áp rơi ở mối BE của transistor cũng tăng nhẹ, dòng Ib tăng theo, dẫn đến dòng Ic và Ie cũng tăng theo hệ số beta và beta 1. Ở đây chúng ta đang giả định rằng mối PN của diode và mối BE của transistor khá là “ăn khớp” nhau (well-matched), nghĩa là các thông số trong phương trình diode của chúng gần khớp nhau, đường đặc tuyến volt-ampere của chúng gần trùng nhau. Nếu bạn thay đổi trở kháng của R_bias thì dòng Ie (xấp xỉ Ic) sẽ thay đổi theo cho khớp, bởi vì dòng Ie hay Ic được biểu diễn bởi phương trình như phương trình diode, chỉ thêm hệ số mà thôi, và hai mối tiếp giáp PN của diode và của BE ở transistor có cùng điện áp rơi trên đó. Nhờ vào việc điều chỉnh trở kháng của R_bias, chúng ta điều phối dòng qua diode, và dòng Ic và Ie cũng theo đó mà “noi gương”. Thuật ngữ “current mirror” cũng từ đó mà được chọn làm tên của mạch.

Chức năng của mạch mirror circuit là: muốn điều tiết dòng qua trở tải R_load, đơn giản ta chỉ hiệu chỉnh trị số trở kháng của R_bias. Dòng đi qua diode(!? Lẽ ra dòng đi qua R_bias) được tính theo công thức đơn giản: Điện áp nguồn trừ điện áp rơi trên diode (gần như là giá trị hằng, ta dùng VOM đo thường thấy là khoảng 0.6v, tài liệu đang được dịch nói là 0.7v), chia cho trở kháng của R_bias.

Để làm cho các đặc tuyến volt-ampere “ăn khớp hơn” (better match) đối với hai mối tiếp giáp PN trong diode và trong transistor (chỗ BE), ta có thể thay thế diode bởi một transistor thứ hai “y chang” (match) con transistor nối trở tải R_load, như trong sơ đồ sau

Do nhiệt độ là một nhân tố trong phương trình diode nên nếu ta muốn hai mối tiếp giáp PN là đồng nhất dưới mọi điều kiện vận hành, thì ta phải đảm bảo cho 2 transistors ở cùng một nhiệt độ. Điều này cũng dễ làm, ta dán chúng vào chung một miếng tản nhiệt, lưng dựa lưng (back-to-back). Nếu các transistors được sản xuất chung trong một con chip silicon (gọi là mạch tích hợp, IC, integrated circuit), thì người ta thiết kế hai transistors này thật gần nhau nhằm tạo sự truyền nhiệt qua lại dễ dàng giữa chúng.

Mạch current mirror với hai transistors NPN như trong hình (a) ở trên được gọi là ráp theo kiểu current-sinking (tạm dịch dòng từ âm nguồn), vì con transistor ổn dòng làm trung gian kết nối giữa tải với âm nguồn. Nếu ta muốn trở tải R_load nối trực tiếp vào âm nguồn, thì ta ráp mạch theo kiểu current-sourcing type, trong đó dùng các transistors PNP như trong hình (b) ở trên.

Khi các transistor được đặt chung trong các IC, thì việc “đúc khuôn” (fabricate) transistor dễ dàng hơn. Trong các IC thường không dùng R_load bằng điện trở, thay vào đó là các nguồn dòng. Mạch trong opamp (con khuyếch đại thuật toán, ví dụ 741, v.v..) lại có ít transistor nhưng có nhiều điện trở, trong khi vài mạch IC khác lại chứa nhiều transistor và có ít điện trở. Trong hình dưới đây, điện áp BE của Q1 sẽ cho ra nhiều nguồn dòng: Q2, Q3 và Q4. Nếu Q2 và Q3 là các transistor có kích cỡ như sau thì dòng I_load qua tải sẽ bằng nhau. Bấy giờ, chỉ cần đúc một transistor Q3 có kích cỡ gấp đôi Q2 sẽ tiện hơn. Dòng I3 sẽ gấp đôi dòng I2. Nói cách khác, dòng trên trở tải sẽ tỉ lệ với kích cỡ transistor được đúc chung trong một chip silicon, IC.

Lưu ý là người ta thường vẽ đường điện áp đặt ở cực B xuyên qua các ký hiệu của transistor trên sơ đồ của mạch có nhiều current mirrors. Cũng vậy, trường hợp Q4 trong hình trên, hai nguồn dòng liên kết chung trong một ký hiệu transistor. Các điện trở tải được vẽ mờ, khó thấy trên sơ đồ, với hàm ý nhấn mạnh rằng trong hầu hết các trường hợp, chúng không có thực. Các tải thường là một hay nhiều mạch transistor khác nữa, ví dụ như một cặp emitter của mạch khuyếch đại vi phân (differential amplifier), đối với Q3 và Q4 thì xem trong mạch khuyếch đại thuật toán opamp (link https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-8/introduction-operational-amplifiers/). Thông thường, tải ở cực C của transistor không là điện trở mà là một current mirror, ví dụ, đọc trong link trên về mô hình của opamp 741, trong đó hãy quan sát Q13.

Tóm lại:

* Current mirror là mạch transistor điều tiết dòng qua trở tải, mức điều tiết được thiết lập bởi sự hiệu chỉnh trị số trở kháng của một điện trở.

* Các transistors trong một mạch current mirror phải được duy trì ở cùng một nhiệt độ nhằm vận hành chính xác. Khi dùng các transistors riêng lẻ, bạn phải dán chúng với nhau để chúng truyền nhiệt qua lại và có chung nhiệt độ.

* Các mạnh current mirror có thể thấy ở hai dạng cơ bản: cấu hình theo kiểu current sinking, trong đó con transistor ổn dòng làm trung gian kết nối giữa tải với âm nguồn; cấu hình theo kiểu current sourcing, trong đó transistor ổn dòng làm trung gian kết nối giữa tải với dương nguồn.