Espelhos de Corrente com Transístores Bipolares

Considerações Iniciais

Apesar de alimentação geral de um sistema ser feita por fontes de tensão, é por vezes vantajoso alimentar circuitos com fontes de corrente. Uma fonte de corrente é um circuito que gera uma corrente constante obtida a partir de uma fonte de tensão. No caso dos circuitos integrados, as fontes de corrente são usadas com frequência para impor uma corrente num circuito, evitando assim usar resistências. As resistências não são adequadas para uso interno em circuitos integrados, pois ocupam uma área grande na pastilha de silício. 

A polarização de transístores dentro de um circuito integrado é frequentemente baseada no uso de fontes de corrente constante. Como normalmente são precisas várias, estabelece-se uma corrente de referência que posteriormente é replicada ou copiada as vezes necessárias através de um circuito designado espelho de corrente. A corrente de referência pode ser gerada com uma resistência de precisão, externa ao circuito integrado.

O espelho de corrente

Um espelho de corrente é um circuito que produz uma cópia da corrente de referência que circula num dispositivo activo, replicando essa corrente no segundo dispositivo activo. Os dispositivos activos que vamos aqui abordar são os Transístores de Junção Bipolares frequentemente designados BJT.

A corrente de referência

Conforme podemos ver na figura 1, o circuito que gera a corrente de referência Iref é composto apenas por uma resistência e um transístor. Admitindo que a tensão base emissor do transístor é de 0.623V e que pretendemos uma IRef de 1mA, calculamos a resistência de referência através da lei de ohm. Rref=(VCC-VBE)/IRef ou seja (12-0.623)/0.001 = 11 377 ohms.

Fig. 1 Circuito gerador da corrente de referência

Como podemos ver no circuito do lado direito da figura 1, a corrente IRef distribui-se por IC e IB, sendo que IB é muito menor que IC, pelo que tendemos a desprezá-la.

O espelho de corrente

O princípio do espelho de corrente é baseado na fórmula que dita o valor de IC de um transístor em função de:

• IS - Corrente de saturação inversa do transístor;
• VBE - Tensão base emissor no transístor;
• VT - Tensão térmica (aprox 25mV à temperatura ambiente);
• VCE - Tensão colector emissor do transístor;
• VA - Tensão de Early (Aprox. 70V. Varia entre 50 a 100V.)

Fórmula que nos dá o valor do IC de um transístor

Ao usar no espelho de corrente, um transístor igual ao usado no circuito de referência, como todos os parâmetros dos transístores são iguais, ao aplicar um VBE igual aos dois transístores, a IC do espelho será igual á IC do transístor usado para referência. Na verdade haverá uma ligeira diferença se o VCE for diferente, pois como é visível na fórmula, IC também varia em função de VCE.

Fig.2 Espelhos de corrente com Iout = Iref

O espelho de corrente ilustrado na figura 2 usa transístores iguais, permitindo espelhos de ganho unitário. Usando dois ou mais transístores em paralelo podemos multiplicar por n a corrente de saída do espelho, sendo n o número de transístores em paralelo. É também possível usar transístores diferentes obtendo ganhos que dependem da relação das áreas da junção base emissor dos transístores. Assim Iout=IRef*A2/A1 sendo A2 a área do transístor de saída e A1 a área do transístor de referência.

O peso de IB

À medida que vamos adicionando transístores, o IB desses transístores vai pesando cada vez mais na corrente de referência, deixando de ser desprezível e causando erros maiores à medida que se adicionam mais transístores. É então necessário compensar as correntes de base, usando um circuito buffer (T6) conforme ilustrado na figura 3.

Fig.3 Compensação das correntes de base através de um circuito buffer (T6)

Com este circuito melhorado, as correntes de base têm um peso menor, β vezes menor, por causa do β do T6.

De realçar que a resistência de referência Rref é diferente pois tem de ser recalculada tendo em conta o VBE de T6 e T1 (2*0.623=1.246V). Então Rref=(12-1.246)/0.001=10 754 ohms.

De notar também que desta vez foi inserida uma carga de 10K na saída de T3, fazendo o VCE baixar para cerca de 2V, mais próximo de T1, o que faz com que a corrente seja mais próxima de Iref. Subindo VCC, Iout sobe ligeiramente conforme é visível em T2, T4 e T5 com VCE=12V

É bom ter em mente que não existem fontes de corrente perfeitas, mas sim circuitos cujo comportamento se aproxima destas. Foram esses os circuitos que aqui abordámos.

Espero que com estas linhas tenha ajudado a compreender melhor o funcionamento do espelho de corrente.

Bons projectos,

Luís Sousa