مقدمة
مرآة التيار ويلسون هي دائرة إلكترونية ثلاثية الأطراف (كما هو موضح في الشكل 1) تستقبل تيارًا دخليًا عند الطرف الدخلي وتوفر تيارًا خرجًا مماثلًا أو مضاعفًا عند الطرف الخارجي. تتميز هذه الدائرة بدقة عالية في نسخ التيار وتقليل تأثير تغيرات الجهد على تيار الخرج، مما يجعلها مفضلة في التطبيقات التي تتطلب استقرارًا ودقة عالية في التيارات.
مبدأ عمل مرآة التيار ويلسون
تعتمد مرآة التيار ويلسون على ثلاثة ترانزستورات ثنائية القطب (BJT) أو ثلاثة ترانزستورات تأثير المجال (FET). دعونا نفترض أننا نستخدم ترانزستورات BJT في هذا الشرح. الترانزستور الأول (Q1) يعمل كصمام ثنائي موصول، حيث يتم توصيل قاعدته ومجمعه معًا. الترانزستور الثاني (Q2) يشكل جزءًا من حلقة التغذية الراجعة، بينما الترانزستور الثالث (Q3) يوفر تيار الخرج.
عندما يتم تطبيق تيار الدخل (Iin) على الترانزستور Q1، فإنه ينتج جهدًا معينًا على قاعدته. هذا الجهد يظهر أيضًا على قاعدة الترانزستورين Q2 و Q3، حيث أن قواعد الترانزستورات الثلاثة موصولة معًا. بما أن الترانزستور Q1 موصول كصمام ثنائي، فإن التيار المار فيه يتحدد بالجهد بين قاعدته وباعثه.
تعمل حلقة التغذية الراجعة التي تتضمن الترانزستور Q2 على تنظيم تيار المجمع في Q1 للحفاظ على جهد القاعدة ثابتًا. هذا يعني أن التيار المار في Q2 يقترب من التيار المار في Q1. الترانزستور Q3، بدوره، ينسخ التيار المار في Q2، مما ينتج تيار الخرج (Iout).
يكمن التحسين الرئيسي في مرآة التيار ويلسون في تقليل تأثير جهد كوليكتور-إميتر (VCE) على تيار الخرج. في مرآة التيار البسيطة، يمكن أن يؤدي تغير VCE للترانزستور إلى تغير طفيف في تيار الخرج بسبب تأثير إيرلي. لكن في مرآة ويلسون، تعمل حلقة التغذية الراجعة على تقليل هذا التأثير بشكل كبير، مما يجعل تيار الخرج أكثر استقرارًا بغض النظر عن تغيرات الجهد.
مكونات مرآة التيار ويلسون
تتكون مرآة التيار ويلسون الأساسية من المكونات التالية:
- ثلاثة ترانزستورات: عادةً ما تكون ثلاثة ترانزستورات ثنائية القطب (BJT) أو ثلاثة ترانزستورات تأثير المجال (FET). يجب أن تكون الترانزستورات الثلاثة متطابقة قدر الإمكان للحصول على أفضل أداء.
- مقاومات (اختيارية): يمكن إضافة مقاومات صغيرة في مسار الباعث للترانزستورات لتحسين استقرار الدائرة وتقليل تأثير الاختلافات الطفيفة بين الترانزستورات.
تحليل دائرة مرآة التيار ويلسون
لتحليل دائرة مرآة التيار ويلسون، يمكننا استخدام معادلات الترانزستور القياسية مع الأخذ في الاعتبار تأثير حلقة التغذية الراجعة. لنفترض أن الترانزستورات الثلاثة متطابقة ولها نفس قيمة β (معامل تضخيم التيار). يمكننا تقريب تيار الخرج بالعلاقة التالية:
Iout ≈ Iin / (1 + 2/β)
من هذه المعادلة، نرى أن تيار الخرج يقترب من تيار الدخل عندما تكون قيمة β كبيرة. كلما كانت قيمة β أكبر، كان أداء مرآة التيار أفضل.
لتحليل أكثر دقة، يجب أن نأخذ في الاعتبار تأثير إيرلي وتأثيرات درجة الحرارة. لكن في معظم التطبيقات العملية، يكون التقريب أعلاه كافيًا.
مزايا وعيوب مرآة التيار ويلسون
المزايا:
- دقة عالية: توفر مرآة التيار ويلسون دقة نسخ تيار أعلى من مرآة التيار البسيطة.
- مقاومة عالية للخرج: تتميز بمقاومة خرج عالية، مما يقلل من تأثير تغيرات الجهد على تيار الخرج.
- استقرار جيد: توفر استقرارًا جيدًا للتيار حتى مع تغيرات درجة الحرارة وتغيرات خصائص الترانزستورات.
العيوب:
- تعقيد أكبر: تتطلب ثلاثة ترانزستورات بدلاً من اثنين في مرآة التيار البسيطة، مما يزيد من تعقيد الدائرة وتكلفتها.
- جهد أدنى أعلى: تتطلب جهدًا أدنى أعلى للتشغيل مقارنة بمرآة التيار البسيطة بسبب وجود ثلاثة ترانزستورات في المسار.
تطبيقات مرآة التيار ويلسون
تستخدم مرآة التيار ويلسون في مجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية، بما في ذلك:
- مصادر التيار المستقرة: توفير تيارات مستقرة في الدوائر المتكاملة.
- مضخمات العمليات: تستخدم في تصميم مراحل دخل مضخمات العمليات لتحسين الأداء.
- دوائر التحيز: تستخدم في دوائر التحيز للترانزستورات لضمان عملها في المنطقة النشطة.
- الدوائر التناظرية: تستخدم في الدوائر التناظرية التي تتطلب دقة عالية في التحكم في التيار.
مقارنة بين مرآة التيار ويلسون ومرآة التيار البسيطة
الفرق الرئيسي بين مرآة التيار ويلسون ومرآة التيار البسيطة يكمن في الدقة ومقاومة الخرج. مرآة التيار ويلسون توفر دقة أعلى ومقاومة خرج أعلى، لكنها أكثر تعقيدًا وتتطلب جهدًا أدنى أعلى للتشغيل. مرآة التيار البسيطة أبسط وأرخص، لكنها أقل دقة وأكثر عرضة لتأثيرات تغيرات الجهد.
في التطبيقات التي تتطلب دقة عالية واستقرارًا، تكون مرآة التيار ويلسون هي الخيار الأفضل. أما في التطبيقات التي لا تتطلب دقة عالية ويمكن التضحية بالاستقرار، فإن مرآة التيار البسيطة قد تكون كافية.
اعتبارات التصميم لمرآة التيار ويلسون
عند تصميم مرآة التيار ويلسون، يجب مراعاة الاعتبارات التالية:
- اختيار الترانزستورات: يجب اختيار ترانزستورات متطابقة قدر الإمكان للحصول على أفضل أداء. يفضل استخدام ترانزستورات ذات قيمة β عالية.
- قيم المقاومات: إذا تم استخدام مقاومات في مسار الباعث، يجب اختيار قيم مناسبة لتحقيق الاستقرار المطلوب وتقليل تأثير الاختلافات بين الترانزستورات.
- نطاق جهد التشغيل: يجب التأكد من أن جهد التشغيل يقع ضمن النطاق المسموح به للترانزستورات المستخدمة.
- تبديد الطاقة: يجب مراعاة تبديد الطاقة في الترانزستورات والتأكد من عدم تجاوز الحد الأقصى المسموح به.
تحسين أداء مرآة التيار ويلسون
يمكن تحسين أداء مرآة التيار ويلسون عن طريق:
- استخدام ترانزستورات ذات قيمة β عالية: كلما كانت قيمة β أعلى، كان أداء مرآة التيار أفضل.
- استخدام مقاومات دقيقة: إذا تم استخدام مقاومات، يجب استخدام مقاومات دقيقة لتقليل تأثير الاختلافات بينها.
- تثبيت درجة الحرارة: يمكن استخدام تقنيات تثبيت درجة الحرارة للحفاظ على استقرار أداء مرآة التيار.
- استخدام تقنيات التغذية الراجعة المتقدمة: يمكن استخدام تقنيات التغذية الراجعة المتقدمة لتحسين دقة واستقرار مرآة التيار.
خاتمة
مرآة التيار ويلسون هي دائرة إلكترونية هامة تستخدم لنسخ التيار بدقة عالية ومقاومة خرج عالية. على الرغم من أنها أكثر تعقيدًا من مرآة التيار البسيطة، إلا أنها توفر أداءً أفضل في التطبيقات التي تتطلب دقة واستقرارًا. تستخدم مرآة التيار ويلسون في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك مصادر التيار المستقرة، ومضخمات العمليات، ودوائر التحيز، والدوائر التناظرية.