Hoe werkt een stroomspiegel

Het systeem stabiliseert zich: hoe meer de spanning tussen emitter en basis stijgt, hoe meer de transistor in geleiding gaat, zodat de spanning tussen emitter en collector beperkt wordt. De spanning tussen emitter en collector bedraagt ongeveer 0.6V, dit hangt af van de samenstelling van de transistor (germanium, silicium of nog iets anders), van het fabricageproces, van de temperatuur en van de stroom.

Indien Q2 perfect identiek is (zelfde fabricageprocédé) en dezelfde temperatuur heeft, dan zal deze transistor dezelfde stroom naar massa trekken omdat de transistor dezelfde eigenschappen heeft. Precies uitgerekend is de stroom wat minder omdat de ingangstroom ook de basisstroom van beide transistoren bevat, maar anderzijds is de stroom sterker omdat de collectorspanning hoger is.

In theorie kan dit werken, maar in de praktijk zal men een sterke afwijking hebben. Twee transistoren van eenzelfde productierun zullen nooit voldoende identiek zijn, daarom heeft men ook transistorclassen gemaakt zoals de BC107A, BC107B, BC107C die achteraf, na de fabricage van de transistor bepaald werden. Zelfs gepaarde transistoren hebben eigenschappen die onvoldoende identiek zijn. Transistor Q2 zal waarschijnlijk ook een beetje warmer worden door de collectorspanning die hoger is. Zelfs als beide transistoren tegen elkaar geplakt worden zal er een verschil in temperatuur zijn in de transistor zelf.

Stroomspiegels worden daarom niet in discrete schakelingen gebruikt, maar enkel in geïntegreerde schakelingen. De geïntegreerde schakeling wordt in één keer gemaakt en alle transistoren hebben identieke eigenschappen. In een normale stroomspiegel veroorzaakt een verschil van 5% in stroomversterking van een transistor (wat zeer weinig is) een verandering van de uitgangsstroom van 1000%. Indien een theoretische schakeling een berekende afwijking van 1% zou hebben, door het verschil in stroomversterking van de transistoren bedraagt de afwijking nu 10%

In een geïntegreerde schakeling kunnen weerstanden niet exact gemaakt worden, een afwijking van meer dan 25% is normaal. Maar de verhouding tussen de weerstanden onderling blijft wel behouden. Het is dus mogelijk dat alle weerstanden in een IC een waarde hebben die 20% te hoog of te laag is. Daarom wordt het aantal weerstanden in een IC beperkt. In een IC is het trouwens gemakkelijker een transistor te bouwen dan een weerstand. Zo zitten er meer transistoren dan weerstanden in een IC.

Een stroomspiegel wordt in het rood aangegeven in de schakeling van een 741. Maar er zijn nog twee andere spiegels, gevormd door Q8-Q9 en door Q11-Q10 (werking van rechts naar links). Q13 heeft twee collectoren, dat wordt verder nog uitgelegd.

R1 kan verwijderd worden in veel schakelingen indien de ingang een stroombron is en geen spanningsbron. Transistoren vormen normaal een stroombron, de weerstand kan dus verwijderd worden. Het is enkel als er een vorm van tegenkoppeling aanwezig is dat een stroombron omgezet wordt in een spanningsbron. Dit is bijvoorbeeld het geval als men een tegenkoppeling tussen de uitgang en de ingang van een versterker gebruikt.

We hebben hier de eenvoudige vorm van de stroomspiegel uitgelegd. Dit is de vorm die doorgaans toegepast wordt in geïntegreerde schakelingen als er geen al te hoge eisen gesteld worden aan de stroomspiegel.

De uitgangsstroom hoeft niet noodzakelijk identiek te zijn aan de ingangsstroom: indien de collector van de tweede transistor groter is, dan is zijn stroom proportioneel ook groter.

Een spiegel kan ook meerdere uitgangen hebben, dit kan gemakkelijk gerealiseerd worden in een geïntegreerde schakeling. De uitgangsstroom hangt af van de grootte van iedere collector.

Widlar schakeling

De formules om de stroomvermindering te bepalen zijn niet lineair en de waarde wordt doorgaans berekend door opeenvolgende benaderingen. Dit is de uitgangsstroom voor een ingangsstroom van 10mA en verschillende emitterweerstanden. Een weerstand van 100Ω levert een uitgangsstroom van 0.4mA. Met zo'n lage emitterstroom wordt de transistor niet warm en blijft de stroomverhouding correct.

Wilson schakeling

Als er een stroom op de ingang ontstaat dan gaat de transistor Q3 in geleiding. De stroom wordt overgebracht op de spiegel Q2-Q1. Hier is Q2 de stroomingang (en tevens ook de stroomuitgang).

Maar er is nog steeds een kleine asymmetrie: de collectorspanning van Q1 is het dubbel van de collectorspanning van Q2. Het Early effect (van de naam van de persoon die het effect beschreven heeft) zorgt ervoor dat de collectorstroom lichtjes stijgt met de collectorspanning.

De laatste schakeling links vermijd dit effect door een volledig symmetrische constructie. Deze schakeling wordt gebruikt als een hoge mate van gelijkloop tussen ingangsstroom en uitgangsstroom vereist is.

In de meeste geïntegreerde schakelingen is de basisversie (met twee transistoren) voldoende. Vaak heeft men gewoon een stroombron nodig, en de exacte waarde van de stroom is niet zo belangrijk. De basisversie heeft het voordeel van de lagere spanningsverlies (0.65V) in vergelijking met de schakeling met 4 transistoren. Dit is belangrijk voor IC's die ontworpen zijn om op lage spanningen te werken. De wilsonschakeling is niet aangeraden als men meerdere uitgangen nodig heeft.

Discrete schakeling

Bouw een schakeling met de twee transistoren die vergeleken moeten worden in een identieke configuratie, met de basis en de collector verbonden. De voedingsspanning heeft een hoge waarde en de weerstanden moeten geselecteerd worden om een stroom te leveren die gelijk is aan de stroom in de effectieve schakeling (hier 1mA). Meet het verschil in spanning en selecteer twee transistoren die een zo laag mogelijk verschil in spanning vertonen. Gebruik daarvoor een nauwkeurige millivoltmeter.

Voor de transistoren T3 en T4 kies je dan de transistoren die op de tweede plaats komen wat btreft de gelijke spanning.