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Aktueller Spiegelrechner

Berechnen Sie den Ausgangsstrom des Stromspiegels, den Beta-Fehler, den Referenzwiderstand, den Stromverbrauch und den Widlar-Spiegelwiderstand für das Design von analogen IC- und Bias-Schaltungen

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Formel

Iout=N×Iref×β/(β+2),Rref=(VCC−VBE)/IrefI_out = N × I_ref × β/(β+2), R_ref = (V_CC − V_BE) / I_ref
I_ref— Referenzstrom (A)
N— Spiegelverhältnis
β— Stromverstärkung des Transistors
V_T— Thermische Spannung (V)
R_W— Willar-Emitterwiderstand (Ω)

Wie es funktioniert

Der Stromspiegelrechner berechnet Referenz- und Ausgangsströme für präzise Bias-Netzwerke — unverzichtbar für analoge IC-Designs, Stromquellen und aktive Lasten. IC-Designer, Analogingenieure und Instrumentierungsspezialisten verwenden Stromspiegel, um einen Referenzstrom mit hoher Genauigkeit nachzubilden. Laut Horowitz & Hill 'Art of Electronics' (3. Aufl., Ka. 2) erreicht ein einfacher BJT-Stromspiegel bei thermischer Kopplung der Transistoren eine Übereinstimmung von 1 bis 5% zwischen Referenz- und Ausgangsstrom. Der einfache Spiegel hat eine Ausgangsimpedanz r_o = VA/ic (Frühspannung/Kollektorstrom), typischerweise 50 kΩ-500 kΩ. Wilson- und Cascode-Spiegel verbessern die Ausgangsimpedanz um das 10-100-fache. MOSFET-Spiegel erreichen eine ähnliche Leistung ohne Eingangsstrom, erfordern jedoch angepasste Schwellenspannungen (ΔVth < 10 mV für eine Genauigkeit von 1%).

Bearbeitetes Beispiel

Entwerfen Sie einen 1-mA-Stromspiegel mit einem 2N3904-Paar für analoge Schaltkreisvorspannung. Referenzstrom I_ref = 1 mA, Versorgung Vcc = 12 V. Referenzwiderstand: R_ref = (Vcc — Vbe) /i_Ref = (12 V — 0,7 V) /1 mA = 11,3 kΩ — wählen Sie 11 kΩ (Serie E24). Bei β = 200 stehlen Basisströme i_B = 2×1mA/200 = 10μA, was zu einem Spiegelfehler von 1% führt. Um die Genauigkeit zu erhöhen, fügen Sie die Emitter-Degenerationswiderstände Re = 100 Ω hinzu (100 mV Abfall): Dadurch wird die Empfindlichkeit gegenüber Vbe-Fehlanpassungen um den Faktor (1 + GM×Re) = 5 × reduziert, wodurch die Anpassung von 2 auf 0,4% verbessert wird. Ausgangsimpedanz: r_o = VA/ic = 100 V/1 mA = 100 kΩ. Konformitätsbereich: Vce > 0,3 V (Sättigung) bis Vcc — 0,7 V.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie angepasste Transistorpaare (MAT12:0,5 mV Vbe-Übereinstimmung, 0,5% β-Übereinstimmung) für aktuelle Spiegel, die eine Genauigkeit von < 1% erfordern — diskrete 2N3904-Paare erreichen nur eine Übereinstimmung von 2 bis 5%
  • ✓Fügen Sie die Emitterdegeneration Re = 0,1 V/Ic hinzu, um die Anpassung um das Fünffache zu verbessern — der Spannungsabfall reduziert die Empfindlichkeit gegenüber Vbe-Schwankungen
  • ✓Verwenden Sie für eine hohe Ausgangsimpedanz einen Kaskodenspiegel (10 MΩ+) oder einen Wilson-Spiegel (5 MΩ+) anstelle eines einfachen Spiegels (100 kΩ); unverzichtbar für die Vorspannung von Verstärkern mit hoher Verstärkung

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung diskreter Transistoren ohne thermische Kopplung — ein Vbe-Unterschied von 2 mV/°C verursacht einen Spiegelfehler von 8% /°C; montieren Sie die Transistoren nebeneinander auf der Leiterplatte oder verwenden Sie ein angepasstes Paar (MAT12, SSM2212)
  • ✗Früheffekt ignorieren — einfacher Spiegel hat r_o = VA/ic; Änderungen der Lastspannung verursachen Stromschwankungen von 1—5%. Verwenden Sie den Wilson-Spiegel für eine 100-mal höhere Ausgangsimpedanz
  • ✗Grundstromfehler vergessen — ein einfacher BJT-Spiegel hat einen Fehler = 2/β; bei β = 100 ist dies ein Fehler von 2%. Der Wilson-Spiegel reduziert den Fehler auf 2/β² = 0,02%

Häufig gestellte Fragen

Replizieren Sie einen Referenzstrom mit hoher Genauigkeit und hoher Ausgangsimpedanz auf andere Schaltungszweige. Anwendungen: Bias-Stromverteilung in Operationsverstärkern, aktive Lasten für Differenzpaare, Referenzstromquellen für DACs. Laut Gray & Meyers 'Analysis and Design of Analog Integrated Circuits' verwenden 90% der analogen ICs Stromspiegel.
Optimale Ergebnisse erfordern angepasste Transistoren — identischer Typ auf demselben Chip (IC) oder passendes Paargehäuse. Diskrete Transistoren müssen dieselbe Artikelnummer haben, dieselbe Herstellercharge haben und thermisch gekoppelt sein. MOSFET-Spiegel benötigen ΔVth < 10 mV für eine Genauigkeit von 1%; BJT-Spiegel benötigen ΔVbe < 2 mV.
Vbe/Vth-Fehlanpassung (±2 mV = ± 8% für BJT), β-Fehlanpassung (± 20% = ± 1% Fehler für Wilson), früher Effekt (1—5% lastabhängiger Fehler), Temperaturgradient (2 mV/°C = 8% /°C für BJT). Integrierte angepasste Paare erreichen eine Übereinstimmung von < 0,5%; diskrete Schaltungen erreichen 2-5% ohne Trimmen.
Für BJTs: Verwenden Sie das Emitterflächenverhältnis oder mehrere Transistoren parallel. Zwei parallele Ausgangstransistoren liefern den zweifachen Strom. Für MOSFETs: W/L-Verhältnis verwenden — Ausgang W/L = 2 × Referenz W/L ergibt 2 × Strom. Degenerationswiderstände zwischen Emitter und Quelle müssen umgekehrt zum Stromverhältnis skaliert werden, um die Anpassung aufrechtzuerhalten.

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