Comprendre les Miroirs de Courant dans les Circuits à Transistors Bipolaires

Miroir de Courant à Transistor Bipolaire (BJT)

Un miroir de courant est l'un des circuits BJT les plus largement utilisés. Il agit comme un régulateur de courant simple et fiable, maintenant un courant presque constant à travers une charge sur une large gamme de résistances de charge.

En mode actif, le courant de collecteur (I_C) égale le courant de base (I_B) multiplié par le gain de courant du transistor, β. Le rapport du courant de collecteur au courant d'émetteur est α, qui peut être dérivé de β comme α = β/(β+1). Cette relation montre que, tout comme un courant de base fixe fixe I_C, un courant d'émetteur fixe fixera I_C lorsque le transistor reste dans sa région active.

La jonction base-émetteur d'un BJT se comporte comme une diode PN. L'équation de diode bien connue prédit le courant de jonction pour une tension directe et une température données :

Formule de l'Équation de Diode

Si la tension directe et la température sont maintenues constantes, le courant de la jonction PN est constant. Par conséquent, maintenir une tension base-émetteur constante (V_BE) force le courant d'émetteur (I_E) et donc le courant de collecteur (I_C) à rester constants, pourvu que le transistor ait un V_CE suffisant pour rester en mode actif.

Pour maintenir V_BE stable, une diode polarisée en direct est placée en parallèle avec la jonction base-émetteur, comme montré :

La diode établit une chute d'environ 0,7 V, maintenant la tension de base — et donc les courants de base, d'émetteur et de collecteur — stables. La tension réelle variera légèrement avec le courant et la température, mais la diode et la jonction base-émetteur du transistor partagent la même physique de jonction PN, donc le courant d'émetteur suit de près le courant de diode. Ajuster la résistance de biais (R_bias) change le courant de diode, qui règle directement les courants d'émetteur et de collecteur.

Puisque α pour un BJT typique est proche de l'unité, le courant de collecteur reflète essentiellement le courant de diode. Le courant de charge à travers R_load est donc fixé par la résistance de biais, faisant du miroir de courant un moyen commode de réguler le courant de charge avec une seule résistance.

Pour un appariement plus serré des deux jonctions PN, un second transistor peut remplacer la diode, donnant un couple de transistors appariés en configuration miroir de courant :

L'appariement thermique est critique car l'équation de diode est température-dépendante. Les composants discrets peuvent être collés dos-à-dos, tandis que les circuits intégrés placent généralement les transistors appariés près l'un de l'autre pour assurer un chauffage égal.

La topologie montrée avec deux transistors NPN (Fig. a) est un miroir puits de courant : le transistor régulateur tire le courant de la charge vers la masse. Si une charge mise à la masse est requise, un miroir source de courant utilisant des transistors PNP (Fig. b) peut être employé.

En conception CI, les résistances sont souvent remplacées par des sources de courant à base de transistors. Une seule référence de tension peut piloter plusieurs miroirs de courant : Q2, Q3 et Q4 partagent le même courant de référence, et leurs courants de charge s'échelonnent avec la surface du transistor. Par exemple, un transistor avec le double de surface fournira le double du courant, éliminant le besoin de résistances en parallèle.

Les miroirs de courant sont fréquemment utilisés comme dispositifs de charge dans les amplificateurs intégrés. Dans l'AOP 741, par exemple, le miroir de Q13 remplace la charge résistive de Q15 et Q17, démontrant comment les miroirs remplacent les résistances dans les CI à haute densité.

RÉVISION :

• Un miroir de courant est un circuit transistor qui fixe le courant de charge via une simple résistance de biais.
• Un fonctionnement précis requiert que les transistors partagent la même température ; les composants discrets peuvent être collés ensemble, tandis que les CI les placent à proximité.
• Les miroirs de courant existent en deux configurations de base : puits de courant (NPN) et source de courant (PNP).

FICHES D'EXERCICES CONNEXES :

• Fiche d'exercices Charges Actives dans les Circuits Amplificateurs
• Fiche d'exercices Amplificateurs Transistors Différentiels