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Un circuito molto utile, che si basa sulla proprietà dei BJT integrati su di un unico chip di avere derive termiche uguali, è costituito dallo specchio di corrente. Questo circuito converte la corrente applicata al suo ingresso in una corrente assorbita, che sta in un preciso rapporto con la prima.

Nel circuito di principio dello specchio di corrente, illustrato nella versione con transistors NPN in figura, il transistor TR₁ è connesso come diodo (base e collettore cortocircuitati) ed è disposto ai capi della giunzione base-emettitore di TR₂.

Una corrente di riferimento di ingresso

è applicata al BJT collegato come diodo (TR₁), determinando una tensione base-emettitore (V_BE1) adeguata a I_B1.

La tensione di base-emettitore (V_BE2) del transistor TR₂ viene forzata ad uguagliare V_BE1.

Supponendo i due transistors identici, da V_BE1 = V_BE2 ne discende che I_B1 = I_B2 e I_C1 = I_C2 = I₂, e tenendo presente la relazione in zona di funzionamento lineare fra correnti di base e di collettore I_B = I_C/b , i ha:

Poiché la variazione di V_BE con la temperatura è generalmente piccola rispetto a V_CC, I₂ è sostanzialmente costante e dipende solo dai valori scelti per V_CC ed R.

Uno specchio di corrente costruito con transistors PNP funziona esattamente nello stesso modo, ma bisogna tenere presente che i versi delle correnti sono invertiti e che la sua uscita si comporta da generatore di corrente e non da assorbitore di corrente.

Le caratteristiche più peculiari dello specchio di corrente sono la sua semplicità e il fatto che si richiede soltanto una caduta di tensione base-emettitore; in tal modo è possibile utilizzare per altri scopi la tensione disponibile rimanente. Tuttavia il circuito possiede una resistenza di uscita non molto elevata (uguale approssimativamente a r_ce di TR₂) e il rapporto tra le correnti di uscita e di ingresso dello specchio di corrente dipende molto dal b del transistor (in particolare per bassi valori di b ) e dalla dispersione delle caratteristiche dei due transistors.

La corrente di collettore (I_C) di un BJT può essere messa in relazione con la sua tensione base-emettitore (V_BE) e con la corrente di saturazione (I_s) con l'equazione:

L'offset della tensione base-emettitore di due transistors è definito come la differenza tra le tensioni base-emettitore che devono essere applicate ai transistors per ottenere correnti di collettore uguali. Utilizzando gli indici 1 e 2 per distinguere tra i due transistors, che si suppongono alla massima temperatura (T), si ha:

Per correnti di collettore uguali, ossia I_C1 = I_C2 , la tensione di offset (V_BE) è data da:

Se, come accade nello specchio di corrente, le tensioni base-emettitore vengono forzate ad assumere lo stesso valore, qualunque differenza elettrica tra i due dispositivi si manifesta in una differenza tra le correnti di collettore; tali differenze possono essere calcolate dall'equazione:

La dipendenza della corrente di uscita dalla differenza tra le due V_BE è riportata nella tabella. In tale tabella è riportato il rapporto tra le correnti di collettore alla temperatura di 290°K per differenti valori della tensione di offset. È significativo che un offset di solo 1mV produca un rapporto tra le correnti con un errore del 4% rispetto al caso ideale (b >> 2), successivamente influenzato dal fattore b /(b + 2).

V_BE mV

I_c1/ I_c2

Errore %

0,1

0,5

1,0

2,0

5,0

1,004

1,020

1,041

1,086

1,222

0,4

2,0

4,1

8,3

22,2

È possibile aggiungere allo specchio di corrente altri transistors, come mostra la figura (per transistors NPN), per ottenere vari assorbitori di corrente.

Se si impiegano n transistors, compreso il transistor di riferimento collegato a diodo (TR₁), si può dimostrare che, in assenza di dispersione delle caratteristiche dei transistors,

cioè le correnti dei collettori risultano tutte uguali; se poi b >> n , tutte le correnti risultano uguali a I₁.

L'effetto della dispersione delle caratteristiche può essere ridotto purché venga assegnata allo specchio di corrente una frazione maggiore della tensione di alimentazione, inserendo resistori uguali nei circuiti di emettitore, come in figura.

Qualsiasi differenza nella tensione emettitore-base dei transistor può essere resa praticamente nulla se confrontata con la caduta di tensione sulle resistenze di emettitore.

L'inserimento di queste resistenze fa aumentare anche la resistenza d'uscita dello specchio di corrente, a causa della retroazione negativa introdotta.

Finora abbiamo considerato la produzione di una corrente di uscita uguale alla corrente di riferimento. È possibile generare correnti maggiori, uguali ad un multiplo intero della corrente di riferimento, mettendo in parallelo più transistors; per esempio, se i collettori di TR₂ e TR₃ (transistors uguali) sono collegati assieme, si ha I₂ + I₃ » 2* I₁.

È anche possibile generare correnti che non siano multipli interi della corrente di riferimento; basta tenere presente che sono le densità di corrente (corrente per unità di area di emettitore) a dover essere uguali alle V_BE. Per esempio, se il transistor TR₂ ha una area di emettitore uguale a tre volte l'area di emettitore di TR₁, si ha I₂ » 3* I₁ perché, supponendo infiniti i b dei transistors,

In alternativa è possibile inserire nei circuiti di emettitore dei resistori di opportuno valore, realizzando uno specchio di corrente a resistori pesati.

L'ultima approssimazione è valida se le correnti nei due transistors non si differenziano eccessivamente, solo in questo caso infatti si può considerare valida l'approssimazione (cioè V_BE1 » V_BE2).

Il circuito di figura può essere esteso al caso in cui si vogliano specchiare correnti proporzionali a quella di riferimento in più rami.

La stabilità termica di un circuito di questo tipo è complessa perché anche i resistori hanno un coefficiente di temperatura.

I migliori risultati sono generalmente ottenuti con specchi di corrente completamente attivi (circuiti nei quali tutti i componenti sono transistors)

La necessità di rendere minimo l'errore che si introduce considerando, nei circuiti esaminati, I₂ » I₁, anche quando b ha valori non molto elevati, ha condotto alla realizzazione di configurazioni circuitali alternative che vengono utilizzate in molti casi.

Un circuito che minimizza la dipendenza del rapporto tra la corrente di riferimento (I₁) e la corrente di uscita (I₂) da b e aumenta la resistenza di uscita è lo specchio di Wilson, riportato in figura.

Esso richiede soltanto un transistor in più e una ulteriore caduta di tensione V_BE attraverso il circuito.

TR₁ e TR₃ costituiscono uno specchio di corrente per il quale vale la relazione:

La resistenza di uscita aumenta con la retroazione serie e il transistor TR₃, collegato a diodo nel circuito di emettitore di TR₂, dà una corrente di uscita I₂ meno dipendente dalla tensione di collettore di TR₂, rispetto a quanto accade nel precedente specchio di corrente.

Nelle figure seguenti sono illustrate due classiche applicazioni di strutture a specchio di corrente usate come generatori di corrente costante in circuiti integrati.

I due stadi differenziali e i transistors di uscita sono polarizzati con correnti costanti ottenute mediante una struttura a specchio di corrente (evidenziata nel riquadro). La corrente di riferimento è fissata dal transistor collegato alla resistenza di emettitore da 1,4KW e le correnti di collettore degli altri transistors sono proporzionali ad essa in ragione dei valori delle rispettive resistenze di emettitore.

In questa altra figura è illustrato lo stadio di ingresso di un amplificatore differenziale di tipo Norton (amplificatore a transconduttanza) che fornisce in uscita una tensione dipendente dalla differenza delle correnti di ingresso (invece che dalla differenza delle tensioni di ingresso). I transistors TR₁ e TR₂ costituiscono uno specchio di corrente, e la corrente di collettore di TR₂ è imposta dalla corrente I₁ dell'ingresso non invertente. Di conseguenza, la corrente di base di TR₃ sarà la differenza tra le due correnti di ingresso: