Comprendiendo los Espejos de Corriente en Circuitos de Transistores de Unión Bipolar

Espejo de Corriente de Transistor de Unión Bipolar (BJT)

Un espejo de corriente es uno de los circuitos BJT más utilizados. Actúa como un regulador de corriente simple y fiable, manteniendo una corriente casi constante a través de una carga sobre un amplio rango de resistencias de carga.

En modo activo, la corriente de colector (I_C) es igual a la corriente de base (I_B) multiplicada por la ganancia de corriente del transistor, β. La relación entre corriente de colector y emisor es α, que puede derivarse de β como α = β/(β+1). Esta relación muestra que, al igual que una corriente de base fija fija I_C, una corriente de emisor fija fijará I_C cuando el transistor permanezca en su región activa.

La unión base-emisor de un BJT se comporta como un diodo PN. La conocida ecuación del diodo predice la corriente de la unión para un voltaje directo y temperatura dados:

Fórmula de la Ecuación del Diodo

Si el voltaje directo y la temperatura se mantienen constantes, la corriente de la unión PN es constante. En consecuencia, mantener un voltaje base-emisor constante (V_BE) fuerza la corriente de emisor (I_E) y, por tanto, la corriente de colector (I_C) a permanecer constantes, siempre que el transistor tenga suficiente V_CE para permanecer en modo activo.

Para mantener V_BE estable, un diodo polarizado directamente se coloca en paralelo con la unión base-emisor, como se muestra:

El diodo establece una caída aproximada de 0,7 V, manteniendo el voltaje de base —y así las corrientes de base, emisor y colector— estables. El voltaje real variará ligeramente con la corriente y la temperatura, pero tanto el diodo como la unión base-emisor del transistor comparten la misma física de unión PN, por lo que la corriente de emisor sigue de cerca la corriente del diodo. Ajustar la resistencia de sesgo (R_bias) cambia la corriente del diodo, que directamente establece las corrientes de emisor y colector.

Dado que α para un BJT típico está cerca de la unidad, la corriente de colector esencialmente refleja la corriente del diodo. La corriente de carga a través de R_load está, por tanto, establecida por la resistencia de sesgo, haciendo del espejo de corriente una forma conveniente de regular la corriente de carga con una sola resistencia.

Para un emparejamiento más preciso de las dos uniones PN, un segundo transistor puede reemplazar al diodo, produciendo un par de transistores emparejados en configuración de espejo de corriente:

El emparejamiento térmico es crítico porque la ecuación del diodo es dependiente de temperatura. Los componentes discretos pueden pegarse dorso a dorso, mientras que los circuitos integrados típicamente colocan los transistores emparejados cerca para asegurar calentamiento igual.

La topología mostrada con dos transistores NPN (Fig. a) es un espejo sumidero de corriente: el transistor regulador drena corriente de la carga a tierra. Si se requiere una carga conectada a tierra, un espejo fuente de corriente usando transistores PNP (Fig. b) puede emplearse.

En diseño IC, las resistencias a menudo son reemplazadas por fuentes de corriente basadas en transistores. Una sola referencia de voltaje puede impulsar múltiples espejos de corriente: Q2, Q3 y Q4 comparten la misma corriente de referencia, y sus corrientes de carga escalan con el área del transistor. Por ejemplo, un transistor con el doble de área proveerá el doble de corriente, eliminando la necesidad de resistencias en paralelo.

Los espejos de corriente se usan frecuentemente como dispositivos de carga en amplificadores integrados. En el op-amp 741, por ejemplo, el espejo de Q13 reemplaza la carga resistiva de Q15 y Q17, demostrando cómo los espejos reemplazan resistencias en ICs de alta densidad.

REPASO:

• Un espejo de corriente es un circuito de transistor que fija la corriente de carga a través de una simple resistencia de sesgo.
• La operación precisa requiere que los transistores compartan la misma temperatura; las partes discretas pueden pegarse juntas, mientras que los ICs las colocan en proximidad cercana.
• Los espejos de corriente vienen en dos configuraciones básicas: sumidero de corriente (NPN) y fuente de corriente (PNP).

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

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