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4.14: BJT de espejo de corriente

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    Transistor de empalme bipolar o espejo de corriente BJT

    Un circuito de uso frecuente que aplica el transistor de unión bipolar es el llamado espejo de corriente, que sirve como un regulador de corriente simple, suministrando corriente casi constante a una carga en un amplio rango de resistencias de carga.

    Sabemos que en un transistor que opera en su modo activo, la corriente de colector es igual a la corriente base multiplicada por la relación β. También sabemos que la relación entre la corriente del colector y la corriente del emisor se llama α. Debido a que la corriente de colector es igual a la corriente base multiplicada por β, y la corriente del emisor es la suma de las corrientes base y de colector, α debe ser matemáticamente derivable de β. Si haces el álgebra, encontrarás que α = β/ (β+1) para cualquier transistor.

    Ya hemos visto cómo mantener una corriente de base constante a través de un transistor activo da como resultado la regulación de la corriente del colector, de acuerdo con la relación β. Bueno, la relación α funciona de manera similar: si la corriente del emisor se mantiene constante, la corriente del colector permanecerá en un valor estable y regulado siempre que el transistor tenga suficiente caída de voltaje de colector a emisor para mantenerlo en su modo activo. Por lo tanto, si tenemos una forma de mantener constante la corriente del emisor a través de un transistor, el transistor trabajará para regular la corriente del colector a un valor constante.

    Recuerde que la unión base-emisor de un BJT no es más que una unión PN, al igual que un diodo, y que la “ecuación de diodo” especifica cuánta corriente pasará por una unión PN dada la caída de voltaje directo y la temperatura de unión:

    13047.png

    Si tanto el voltaje como la temperatura de la unión se mantienen constantes, entonces la corriente de unión PN será constante. Siguiendo esta justificación, si tuviéramos que mantener constante la tensión base-emisor de un transistor, entonces su corriente de emisor será constante, dada una temperatura constante. (Figura abajo)

    03279.png

    La constante V BE da constante I B, constante I E y constante I C.

    Esta corriente constante del emisor, multiplicada por una relación α constante, proporciona una corriente de colector constante a través de la carga R, si hay suficiente voltaje de la batería disponible para mantener el transistor en su modo activo para cualquier cambio en la resistencia de la carga R.

    Para mantener un voltaje constante a través de la unión base-emisor del transistor, use un diodo polarizado hacia adelante para establecer un voltaje constante de aproximadamente 0.7 voltios, y conectarlo en paralelo con la unión base-emisor como en la figura siguiente.

    03280.png

    La unión de diodos de 0.7 V mantiene el voltaje de base constante y la corriente de base constante.

    El voltaje caído a través del diodo probablemente no será 0.7 voltios exactamente. La cantidad exacta de voltaje directo caído a través de él depende de la corriente a través del diodo, y de la temperatura del diodo, todo de acuerdo con la ecuación del diodo. Si aumenta la corriente del diodo (por ejemplo, al reducir la resistencia de la polarización R), su caída de voltaje aumentará ligeramente, aumentando la caída de voltaje a través de la unión base-emisor del transistor, lo que aumentará la corriente del emisor en la misma proporción, asumiendo la unión PN del diodo y la la unión base-emisor del transistor está bien emparejada entre sí. En otras palabras, la corriente del emisor del transistor igualará estrechamente la corriente del diodo en cualquier momento dado. Si cambia la corriente del diodo cambiando el valor de resistencia de la polarización R, entonces la corriente del emisor del transistor seguirá su ejemplo, porque la corriente del emisor se describe mediante la misma ecuación que la del diodo, y ambas uniones PN experimentan la misma caída de voltaje.

    Recuerde, la corriente de colector del transistor es casi igual a su corriente de emisor, ya que la relación α de un transistor típico es casi la unidad (1). Si tenemos control sobre la corriente del emisor del transistor configurando la corriente del diodo con un simple ajuste de resistencia, entonces también tenemos control sobre la corriente del colector del transistor. En otras palabras, la corriente del colector imita, o espejos, la corriente del diodo.

    La corriente a través de la carga de la resistencia R es por lo tanto una función de la corriente establecida por la resistencia de polarización, siendo las dos casi iguales Esta es la función del circuito de espejo de corriente: regular la corriente a través de la resistencia de carga ajustando convenientemente el valor de polarización R. La corriente a través del diodo se describe mediante una ecuación simple: voltaje de fuente de alimentación menos voltaje de diodo (casi un valor constante), dividido por la resistencia de polarización R.

    Para adaptarse mejor a las características de las dos uniones PN (la unión de diodos y la unión de transistores base-emisor), se puede utilizar un transistor en lugar de un diodo regular, como en la figura siguiente (a).

    03282.png

    Circuitos de espejo de corriente.

    Debido a que la temperatura es un factor en la “ecuación de diodos”, y queremos que las dos uniones PN se comporten de manera idéntica en todas las condiciones de funcionamiento, debemos mantener los dos transistores exactamente a la misma temperatura. Esto se hace fácilmente usando componentes discretos pegando las dos cajas de transistores espalda con espalda. Si los transistores se fabrican juntos en un solo chip de silicio (como un llamado circuito integrado, o IC), los diseñadores deben ubicar los dos transistores cerca uno del otro para facilitar la transferencia de calor entre ellos.

    El circuito de espejo de corriente que se muestra con dos transistores NPN en la Figura anterior (a) a veces se denomina tipo de sumidero de corriente, porque el transistor regulador conduce corriente a la carga desde tierra (corriente de “hundimiento”), en lugar de desde el lado positivo de la batería (” abastecimiento” actual). Si deseamos tener una carga puesta a tierra, y un circuito de espejo de abastecimiento de corriente, podemos usar transistores PNP como la Figura anterior (b).

    Si bien las resistencias se pueden fabricar en circuitos integrados, es más fácil fabricar transistores. Los diseñadores de CI evitan algunas resistencias al reemplazar las resistencias de carga con fuentes de corriente. Un circuito como un amplificador operacional construido a partir de componentes discretos tendrá algunos transistores y muchas resistencias. Una versión de circuito integrado tendrá muchos transistores y algunas resistencias. En la figura siguiente Una referencia de voltaje, Q1, impulsa múltiples fuentes de corriente: Q2, Q3 y Q4. Si Q2 y Q3 son transistores de igual área las corrientes de carga que carga serán iguales. Si necesitamos una carga 2·I, paralelo Q2 y Q3. Mejor aún fabricar un transistor, digamos Q3 con el doble de área de Q2. La corriente I3 será entonces dos veces I2. En otras palabras, la corriente de carga escala con área de transistor.

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    Múltiples espejos de corriente pueden ser esclavos de una sola fuente de voltaje (polarización Q1 - R).

    ¡Tenga en cuenta que es costumbre dibujar la línea de voltaje base a través de los símbolos del transistor para múltiples espejos de corriente! O en el caso de Q4 en la Figura anterior, dos fuentes de corriente están asociadas con un solo símbolo de transistor. Las resistencias de carga se dibujan casi invisibles para enfatizar el hecho de que estas no existen en la mayoría de los casos. La carga suele ser otro circuito transistor (múltiple), digamos un par de emisores de un amplificador diferencial, por ejemplo Q3 y Q4 en “Un amplificador operacional simple”, Ch 8. A menudo, la carga del colector de un transistor no es una resistencia sino un espejo de corriente. Por ejemplo la carga del colector del colector Q4, Ch 8 es un espejo de corriente (Q2).

    Para un ejemplo de un espejo de corriente con múltiples salidas de colector ver Q13 en el modelo 741 op-amp, Ch 8. Las salidas de espejo de corriente Q13 sustituyen las resistencias como cargas de colector para Q15 y Q17. Vemos a partir de estos ejemplos que se prefieren los espejos de corriente como cargas sobre las resistencias en circuitos integrados.

    Revisar

    • Un espejo de corriente es un circuito de transistor que regula la corriente a través de una resistencia de carga, el punto de regulación se establece mediante un simple ajuste de resistencia.
    • Los transistores en un circuito de espejo de corriente deben mantenerse a la misma temperatura para un funcionamiento preciso. Al usar transistores discretos, puede pegar sus cajas juntas para hacer esto.
    • Los circuitos de espejo de corriente se pueden encontrar en dos variedades básicas: la configuración de hundimiento de corriente, donde el transistor de regulación conecta la carga a tierra; y la configuración de abastecimiento de corriente, donde el transistor de regulación conecta la carga al terminal positivo de la CC fuente de alimentación.

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