Entendendo Espelhos de Corrente em Circuitos de Transistor Bipolar (BJT)

Espelho de Corrente de Transistor Bipolar (BJT)

Um espelho de corrente é um dos circuitos BJT mais amplamente utilizados. Ele atua como um regulador de corrente simples e confiável, mantendo uma corrente quase constante através de uma carga sobre uma ampla faixa de resistências de carga.

Em modo ativo, a corrente de coletor (I_C) é igual à corrente de base (I_B) multiplicada pelo ganho de corrente do transistor, β. A razão entre corrente de coletor e emissor é α, que pode ser derivada de β como α = β/(β+1). Esta relação mostra que, assim como uma corrente de base fixa fixa I_C, uma corrente de emissor fixa fixará I_C quando o transistor permanece em sua região ativa.

A junção base-emissor de um BJT comporta-se como um diodo PN. A conhecida equação do diodo prevê a corrente da junção para uma dada tensão direta e temperatura:

Fórmula da Equação do Diodo

Se a tensão direta e a temperatura são mantidas constantes, a corrente da junção PN é constante. Consequentemente, manter uma tensão base-emissor constante (V_BE) força a corrente de emissor (I_E) e portanto a corrente de coletor (I_C) a permanecer constante, desde que o transistor tenha V_CE suficiente para ficar em modo ativo.

Para manter V_BE estável, um diodo polarizado diretamente é colocado em paralelo com a junção base-emissor, como mostrado:

O diodo estabelece uma queda aproximada de 0,7 V, mantendo a tensão de base — e assim as correntes de base, emissor e coletor — estáveis. A tensão real varia ligeiramente com corrente e temperatura, mas tanto o diodo quanto a junção base-emissor do transistor compartilham a mesma física de junção PN, então a corrente de emissor rastreia a corrente do diodo de perto. Ajustando o resistor de bias (R_bias) muda a corrente do diodo, que diretamente define as correntes de emissor e coletor.

Como α para um BJT típico é próximo da unidade, a corrente de coletor essencialmente espelha a corrente do diodo. A corrente de carga através de R_load é portanto definida pelo resistor de bias, tornando o espelho de corrente uma forma conveniente de regular corrente de carga com um único resistor.

Para casamento mais apertado das duas junções PN, um segundo transistor pode substituir o diodo, resultando em um par de transistores casados em configuração espelho de corrente:

Casamento térmico é crítico porque a equação do diodo é dependente de temperatura. Componentes discretos podem ser colados costas a costas, enquanto circuitos integrados tipicamente colocam os transistores casados próximos para garantir aquecimento igual.

A topologia mostrada com dois transistores NPN (Fig. a) é um espelho dreno de corrente (current-sinking): o transistor regulador drena corrente da carga para terra. Se uma carga aterrada é requerida, um espelho fonte de corrente (current-sourcing) usando transistores PNP (Fig. b) pode ser empregado.

Em projeto de CI, resistores são frequentemente substituídos por fontes de corrente baseadas em transistor. Uma única referência de tensão pode acionar múltiplos espelhos de corrente: Q2, Q3 e Q4 compartilham a mesma corrente de referência, e suas correntes de carga escalam com a área do transistor. Por exemplo, um transistor com o dobro da área fornecerá o dobro da corrente, eliminando a necessidade de resistores em paralelo.

Espelhos de corrente são frequentemente usados como dispositivos de carga em amplificadores integrados. No op-amp 741, por exemplo, o espelho de Q13 substitui a carga resistiva de Q15 e Q17, demonstrando como espelhos substituem resistores em CIs de alta densidade.

REVISÃO:

• Um espelho de corrente é um circuito transistorizado que fixa a corrente de carga via um simples resistor de bias.
• Operação precisa requer que os transistores compartilhem a mesma temperatura; partes discretas podem ser coladas, enquanto CIs as colocam em proximidade.
• Espelhos de corrente vêm em duas configurações básicas: dreno de corrente (NPN) e fonte de corrente (PNP).

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de Cargas Ativas em Circuitos Amplificadores
• Planilha de Amplificadores Transistorizados Diferenciais