Fonctionnement d'un miroir de courant

C'est un système qui se stabilise: plus la tension entre l'émetteur et la base devient positive et plus le transistor entre en conduction, réduisant la tension entre l'émetteur et le collecteur (et donc également la base).

La tension entre l'émetteur et la base se stabilise à environ 0.6V; cela dépend du type de transistor (au germanium ou au silicium), de sa fabrication et aussi de sa température et du courant.

Si le transistor Q2 est parfaitement identique (même type, même lot de fabrication, même température)... il va produire le même courant en sortie.

C'est très beau en théorie, mais cela ne fonctionnera pas très bien en pratique. Deux transistors d'un même lot de production ne sont jamais tout à fait identiques (c'est pour cela qu'on a créé des classes de transistors BC107A, BC107B, BC107C déterminées après la fabrication du transistor. Même des transistors pairés n'ont pas des caractéristiques identiques et le transistor Q2 va probablement chauffer un peu plus car sa tension de collecteur est plus élevée. Même collés l'un à l'autre, la jonction du second transistor va être un peu plus élevée.

Les miroirs de courant ne sont donc pas utilisés dans les circuits discrets, composés de composants individuels, mais uniquement dans les circuits intégrés. Le circuit intégré est fabriqué en une fois et les transistors ont des caractéristiques assez identiques. Dans un miroir standard une différence du facteur d'amplification de 5% (ce qui est très peu) fait augmenter la différence de courant de 10X! Si l'erreur théorique calculée avec des transistors identiques est de 1% (en mA), la différence de courant avec de vrais transistors devient maintenant de 10%.

Dans un circuit intégré courant la valeur des résistances n'est pas absolue. Une résistance de 50kΩ peut avoir une valeur effective de 35kΩ ou 75kΩ. Par contre le rapport entre deux résistances est fort identique: si une résistance de 50kΩ a une valeur de 60kΩ, toutes les résistances auront une valeur 20% plus élevée. C'est pour cela qu'on limite le nombre de résistances dans un circuit intégré: il est plus facile de fabriquer un transistor qu'une résistance!

Un miroir de courant est indiqué en rouge sur le circuit d'un 741 bien connu, mais il y a encore deux autres miroirs, formés par la paire Q8-Q9 et Q11-Q10 (fonctionnement de gauche à droite pour cette dernière paire). Q13 a deux collecteurs, son fonctionnement est expliqué plus loin.

Dans beaucoup de schémas la résistance R1 peut être éliminée si l'entrée est une source de courant et non une source de tension. C'est le cas avec beaucoup de transistors: le collecteur est en fait une source de courant. C'est une contre réaction qui transforme la source de courant en sourde de tension (par exemple contre réaction entre la sortie de l'ampli opérationnel vers son entrée pour en linéairiser le fonctionnement.

Nous avons décrit un miroir de courant standard, comme il est utilisé dans la plupart des circuits électroniques.

Retenez malgré tout encore que le courant en sortie ne doit pas nécessairement être identique au courant en entrée: si le collecteur du second transistor est plus grand, son courant sera proportionellement plus élevé.

Un miroir peut également avoir plusieurs sorties (le second transistor a plusieurs collecteurs), c'est facile à réaliser dans un circuit intégré. Le courant à chaque sortie dépend de la surface du collecteur correspondant.

Montage de Widlar

Les formules pour calculer le rapport du courant ne sont pas linéaires. Le courant sortant doit être calculé par des approximations successives. Voici le courant de sortie pour un courant à l'entrée de 10mA. Une résistance de 100Ω produit un courant de sortie de 0.4mA. Avec un courant si faible le transistor de sortie ne chauffe pas et l'approximation est assez correcte.

Montage de Wilson

Quand le courant apparait à l'entrée, le transistor Q3 entre en conduction et transmet le courant aux miroirs Q2 et Q1. Ici c'est en fait Q2 qui est l'entrée du courant (et également la sortie su courant).

Mais il y a encore une légère asymmétrie: la tension de collecteur de Q1 est le double de la tension de collecteur de Q2. L'effet Early (du nom de la personne qui a décrit le phénomène) fait que le courant augmente légèrement avec la tension de collecteur.

Le dernier montage à gauche élimine l'asymmetrie: c'est le montage qui est utilisé quand il faut une linéarité élevée.

Dans la plupart des circuits intégrés on se contente de la version de base (avec seulement deux transistors). La symmétrie est suffisante pour la plupart des montages. Cette version de base a comme avantage une chute de tension moindre (0.65 au lieu de 1.7V) ce qui peut être important dans des circuits conçus pour des basses tensions. Le montage de wilson n'est pas recommandé pour des sorties multiples.

Montages discrets

Réalisez pour cela un montages avec deux transistors dans une configuration identique, avec avec la base reliée au collecteur, alimentez les deux transistors avec une tension élevée et deux résistances identiques pour arriver au courant moyen qui sera utilisé en pratique (ici 1mA). Mesurez la différence de tension entre les bases/collecteurs des deux transistors avec un millivoltmètre de précision.

Choisissez deux transistors dont la différence de tension est la plus faible pour réaliser votre miroir. Ajoutez alors les transistors T3-T4 (les deux transistors qui arrivent en seconde place).