Notwendigkeit einer Temperaturkompensation des Stromspiegels

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Ich lerne gerade über aktuelle Spiegelkonfigurationen. Ich habe bisher zwei davon gemacht. Beide arbeiteten wie gewünscht, aber beim Erhitzen oder Abkühlen nahm der Strom durch die rechte Seite (die Seite, von der der Ausgang stammt) mit kleinen Temperaturunterschieden signifikant ab oder zu.

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Rload für beide Stromkreise war niedrig oder kurzgeschlossen auf +10 V. Beide Schaltkreise wurden so eingestellt, dass sie den Strom von 500 uA widerspiegeln. Alle Transistoren wurden von Hand angepasst (sie sind alle in Bezug auf Beta sehr nahe beieinander).

Ohne Emitterdegeneration wurden beide Schaltkreise signifikant von der Temperatur beeinflusst, insbesondere in Abb. A, wo sich der Strom durch um 100 uA oder mehr (1 Sekunde Erwärmung) änderte, als ich entweder Q1 oder Q2 mit einer Fingerspitze berührte; jedoch die Transistoren Q4 und Q5 mit einer Fingerspitze berührt wurden, änderte sich der Strom durch um 50 uA (auch 1 Sekunde Erwärmung), was weniger als im ersten Beispiel ist, aber immer noch zu viel. R l o a d 2Rload1Rload2

Mit der Emitterdegeneration verbesserten beide Schaltkreise ihre Temperaturstabilität erheblich. Zum Beispiel (die hinzugefügten waren 1 kOhm), wenn ich mich auf Fig. B änderte sich der Strom durch nur um 10 uA (bei Erwärmung um ca. 1 Sekunde), während das Ergebnis mit Fig. A etwas war schlechter.R l o a d 2ReRload2

Beide Schaltungen werden verbessert, wenn Emitterdegeneration zu Q1 / Q2 oder Q3 / Q4 hinzugefügt wird. In beiden Beispielen war der Strom durch Q1 oder Q3 zu allen Zeiten ungefähr konstant, aber der Strom durch Q2 oder Q5 war nicht einmal annähernd gleich.

  • Gibt es eine Möglichkeit, einen der hier gezeigten Schaltkreise aufgrund unterschiedlicher Temperatur zu kompensieren? Ich dachte, dass Q5 den Temperaturänderungsfehler im Strom korrigieren würde, tat dies aber offensichtlich nicht.
Keno
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Vbe vs T Matching ist wichtig, nicht nur Beta, was ein Vorteil für eine IC-Bandlücke Vref ist. Können Sie sie thermisch gekoppelt, aber von der Umgebung isoliert machen?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Ich denke, Sie verpassen den Punkt. Erwarten Sie nicht, dass Sie es stabilisieren können, wenn Sie die Transistoren unterschiedlich erwärmen. Die ganze Mathematik fällt betrunken und erbricht. Sie erwarten zu viel.
Andy aka
@ TonyStewart.EEsince'75 Ich verstehe, dass andere Parameter wie Vbe, Beta, Early Voltage usw. wichtig sind, aber Beta ist nur ein Parameter, der mit meinem Multimeter leicht gemessen werden kann. Glauben Sie, dass ein thermisch gekoppelter Spiegel die Temperaturstabilität verbessern würde?
Keno
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ja natürlich .. aber Sie können dies mit gleichzeitigen und unterschiedlichen
Temperaturänderungen testen
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Ihr Problem ist meistens die Differenztemperatur, aber bei kleinen Unterschieden übersehen Sie nicht die Tatsache, dass der Strom durch den eingestellten Widerstand temperaturabhängig ist, da die Vbe von der Versorgung abfällt. Wenn es eine niedrigere Spannung wäre, wäre die Abhängigkeit signifikanter.
Spehro Pefhany

Antworten:

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Die drei Hauptschritte sind

a) Verwenden Sie so viel Emitterdegeneration wie möglich.
b) Passen Sie die Temperaturen von Q1 und Q2 an.
c) Passen Sie die Verlustleistung von Q1 und Q2 an

Kleben Sie für (b) mindestens Q1 und Q2 zusammen. Weitaus besser ist es, ein monolithisches Transistorarray wie das CA3046 zu verwenden, das 5 Transistoren enthält, die auf demselben Substrat hergestellt wurden. Für ein wirklich hardcore thermisch abgestimmtes Paar verwendet das LM394 'SuperMatch'-Paar Tausende von Transistor-Chips, die wie ein Schachbrett verbunden sind.

Q5 erhöht nicht nur die Ausgangsimpedanz, sondern steuert auch die Verlustleistung in Q4. Spielen Sie mit Serientropfen auf Q5-Basis oder Emitter, um die Q3 / 4-Verlustleistung auszugleichen.

Eine etwas kompliziertere Lösung mit weniger Bandbreite, aber viel mehr Präzision besteht darin, Q1 zu beseitigen und Q2 mit einem Operationsverstärker anzusteuern, um die Spannungsabfälle an Re1 / 2 auszugleichen. Durch das Ersetzen von Q2 durch einen FET wird jeglicher Beta-Variationsbeitrag zur Ausgangsgenauigkeit eliminiert. Dann müssen Sie sich nur noch um die Vos-Drift des Verstärkers mit der Temperatur und die Tempco- oder Re1 / 2-Widerstände kümmern.

Neil_UK
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Match Dissipation? Energieverschwendung? Der Strom sollte sowohl durch Q1 als auch durch Q2 größtenteils gleich sein, aber was mit der Spannung Vce über Q2 geschieht, hängt hauptsächlich vom anzuwendenden Lastwiderstand ab. Wenn du das gemeint hast, sonst fand ich deine sehr nützlich.
Keno
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@ Keno Es gibt signifikante Unterschiede in der VCE für die beiden BJTs in der Schaltung in Abbildung A. Dies kann zu einer sehr unterschiedlichen Erwärmung der beiden Spiegel-BJTs führen. Abbildung B: Da es eine VBE für die VCE von Q4 und zwei VBE für die VCE von Q3 gibt, sollte die doppelte Erwärmung in der einen gegenüber der anderen vorhanden sein. Dies ist jedoch aufgrund der zusätzlichen Q5-Anordnung zur Kompensation des frühen Effekts besser (zumindest eine gewisse Verringerung der Unterschiede) .
Jonk
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Wenn Sie beide Transistoren auf der gleichen Temperatur halten möchten, sollten sie die gleiche Verlustleistung haben (dh den gleichen Strom und die gleiche Spannung). Dies glättet auch einige der anderen Fehlerquellen (wie die frühe Spannung). Ihr zweiter Schaltplan erreicht dies nicht genau, da der Vce eines Transistors höher ist als der des anderen. Auf geht's:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Dies ist ein vollständiger Wilson- Spiegel, und Q3 hat die Aufgabe, eine Vbe fallen zu lassen, um die Vce von Q1 / Q2 gleich zu machen.

Eine billige Quelle für doppelt angepasste BJTs ist DMMT3904 und andere duale Transistoren. Sie sind nicht monolithisch, daher ist die Anpassung und Temperaturerfassung nicht so gut wie die ausgefallenen, aber sie sind billig.

Wenn Sie jedoch ultimative Präzision wünschen, müssen Sie einen Opamp mit niedrigem Offset verwenden.

peufeu
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Ich hatte Keno darüber geschrieben, aber die Details, die Sie bezüglich des zusätzlichen BJT im vollständigen Wilson hinzugefügt hatten, noch nicht erwähnt. Gute Ergänzung. +1 Er erforscht diese Ideen auf Protoboards und heizt die Dinge unterschiedlich auf, um zu sehen, was passiert. (Ich bin ziemlich beeindruckt von seinen gründlichen Tests, um Verhaltensweisen zu erkennen, die er dann besser verstehen muss.) Keiner dieser Schaltkreise, Ihr oder Neils, diskutiert Methoden zur Beta-Kompensation. (Bei den Emitterwiderständen geht es um ISAT / VBE plus Temperaturkompensation, nicht um Beta.) Da er diskrete Sachen macht, muss er 50 Jahre zurückgehen, um zu sehen, wie Widlar mit diesen Dingen umgeht.
Jonk
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Ja, heutzutage fühlt es sich gut an, jemanden zu sehen, der Elektronik lernt und tatsächlich experimentiert und versucht, die Details zu verstehen, anstatt nur ein Arduino darauf zu schlagen! ...
Peufeu
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Verwenden Sie Transistor-Arrays wie den (Original-) Cinch CA3046, um angepasste Stromquellen zu erzielen. Es wird jetzt von Harris oder Intersil verkauft. Die Anpassung erfolgt an eine Emitterbasis von 5 Millivolt, was ungefähr 10% entspricht. Da Sie nicht die Möglichkeit haben, mehrere Emitterstreifen zu verwenden und diese zu interdigitalisieren, benötigen Sie Emitter-Degenerationswiderstände.

analogsystemsrf
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Ich würde gerne einen verbesserten CA3096 sehen, bei dem die niedrigen seitlichen PNPs vergleichbar mit den NPNs im Gerät arbeiten. Ich brauche gemischtes NPN / PNP auf demselben Würfel. Ich werde wahrscheinlich das verdammte Ding vermitteln müssen, wenn ich jemals eines bekommen will.
Jonk
Motorola verkaufte solche. Ich habe sie verwendet, um eine aktive Klemme auf dem Summierknoten eines ADC aufzubauen. War zu langsam, weil ich die Miller-Kapazität des Rückkopplungsklemmenverstärkers ignoriert habe. In Bezug auf ähnlich schnelles NPN und PNP verfügt Harris Corp in Melbourne FLA über dielektrisch isolierte Operationsverstärker, die für eine gute Leistung in Strahlungsflussumgebungen ausgelegt sind. Wahrscheinlich werden die Trägheitsleitsysteme in Sprengköpfen in einer atomar geschäftigen Atmosphäre weiterhin genau funktionieren.
Analogsystemsrf
@jonk Vielen Dank für die Erwähnung von Chabay vor Monaten. Eine gute Lektüre. In Bezug auf Transistoren auf demselben Chip treten im Zeitrahmen von 114 us immer noch vorübergehende thermische Fehlanpassungen auf, vorausgesetzt, die Bauelemente sind 100 Mikrometer voneinander entfernt. Wenn FETs mit interdigitalen Streifen (wie Diffpairs durchgeführt werden können) mit einem Abstand von Ma zu Mb von 10u sind, ist das thermische Tau bei 1,14 uS 100-mal schneller (sein umgekehrtes Quadrat); bei 1 Mikron beträgt das thermische Tau 11,4 Nanosekunden.
Analogsystemsrf
Interessante zusätzliche Informationen zu den Zeitkonstanten. Dies liegt außerhalb meiner Hobbyerfahrungen, ist aber trotzdem interessant.
Jonk
@ jonk Wir verwenden diese thermischen Zeitkonstanteneffekte im Tool Signal Chain Explorer, um die thermische Verzerrung von OpAmp-Schaltkreisen vorherzusagen, einschließlich der Erwärmung der Diffpaare aufgrund von Änderungen des Ausgangsstroms (Zeiten VDD des Opamps als ungefähre Änderung der Wärme). Das Gleiche gilt für Widerstände. Ein Kubikmeter Silizium hat eine thermische Tau von 11.400 Sekunden, was das Gegenteil der physikalisch konstanten thermischen Diffusionsfähigkeit ist. Ein Kubikmikron, 1 Million x kleiner, ist mit 11,4 Nanosekunden eine Billion x schneller.
Analogsystemsrf