Espelhos de Corrente e Suas Topologias

Os espelhos de corrente são elementos fundamentais nos circuitos eletrônicos, especialmente em circuitos integrados analógicos, onde são usados para replicar e fornecer correntes estáveis e precisas. Eles permitem que uma corrente de referência \( I_{REF} \) seja espelhada em uma ou mais saídas, mantendo o comportamento previsível de corrente, mesmo em variações de tensão ou carga.

Com o tempo, várias variações do espelho de corrente básico foram desenvolvidas para melhorar a precisão, aumentar a impedância de saída e adaptar a topologia para diferentes aplicações. Entre as topologias mais conhecidas estão o Espelho de Corrente Cascode, o Espelho de Corrente Wilson, o Espelho de Corrente Widlar, o Beta Helper, e o Buffer Current Mirror.

Neste artigo, abordaremos as principais topologias, como elas funcionam e onde são aplicadas.

Espelho de Corrente Básico

O Espelho de Corrente Básico é a forma mais simples de replicar uma corrente de referência. Ele é composto por dois transistores (BJTs ou MOSFETs) em que as bases ou portas estão conectadas, e a corrente que flui pelo transistor de referência é espelhada no segundo transistor, fornecendo uma corrente de saída quase igual à corrente de referência.

Funcionamento:

1. Transistor de Referência: O primeiro transistor conduz a corrente \( I_{REF} \), que polariza a junção base-emissor (BJT) ou porta-fonte (MOSFET).
2. Transistor Espelhado: O segundo transistor, que está configurado de maneira similar ao primeiro, espelha a corrente \( I_O \approx I_{REF} \), desde que ambos os transistores tenham características idênticas.

Aplicações:

Este espelho de corrente básico é usado em amplificadores operacionais, circuitos de polarização e circuitos de fontes de corrente, onde a simplicidade e a capacidade de replicar a corrente com precisão razoável são adequadas para a aplicação.

Espelho de Corrente Cascode (Cascode Current Mirror)

O Espelho de Corrente Cascode é uma melhoria do espelho de corrente básico, projetada para aumentar a impedância de saída e reduzir a variação da corrente de saída causada pela modulação do comprimento de canal (em MOSFETs) ou pelo efeito Early (em BJTs).

Funcionamento:

1. Transistores Principais: Dois transistores formam o espelho de corrente básico.
2. Transistores Cascode: Dois transistores adicionais são conectados ao dreno (MOSFETs) ou ao coletor (BJTs) dos transistores principais. Esses transistores funcionam em configuração cascode, aumentando a impedância de saída.
3. Impedância de Saída: A impedância de saída de um espelho de corrente cascode é significativamente maior do que a de um espelho básico, o que minimiza variações de corrente, mesmo quando a tensão de saída muda.

Vantagens:

• Alta precisão: O Cascode Current Mirror minimiza a influência de variações na tensão de saída, mantendo a corrente espelhada estável.
• Impedância de saída alta: Ideal para circuitos onde é necessária uma corrente muito constante, como em amplificadores de alta precisão.

Código SPICE:

Aqui está um exemplo de Cascode Current Mirror usando MOSFETs:

* Cascode Current Mirror usando NMOS transistors
.model NMOS NMOS (LEVEL=1 KP=100u VTO=1 LAMBDA=0.02)
Vgs 2 0 DC 2.5
Vdd 3 0 DC 5
M1 1 2 0 0 NMOS
M2 3 1 0 0 NMOS
M3 4 2 0 0 NMOS
M4 3 4 0 0 NMOS
.dc Vgs 0 5 0.1
.print DC I(Vdd)
.end

Espelho de Corrente Wilson (Wilson Current Mirror)

O Espelho de Corrente Wilson, criado por George Wilson em 1967, introduz um terceiro transistor para melhorar a precisão da replicação de corrente, aumentando a impedância de saída e compensando as variações de \( V_{BE} \) e o efeito Early em BJTs.

Funcionamento:

1. Transistor Adicional: O terceiro transistor cria uma realimentação negativa, reduzindo a diferença entre a corrente de entrada e a corrente de saída.
2. Impedância de Saída Alta: O Wilson Mirror possui uma impedância de saída significativamente maior que o espelho básico, resultando em uma corrente de saída mais estável.
3. Redução da Sensibilidade ao \( V_{BE} \): A topologia ajuda a minimizar a variação na corrente de saída causada por diferenças no \( V_{BE} \) dos transistores.

Aplicações:

Utilizado em circuitos que exigem precisão e estabilidade na replicação da corrente, como amplificadores operacionais de alta performance.

Espelho de Corrente Widlar (Widlar Current Mirror)

O Espelho de Corrente Widlar, desenvolvido por Robert Widlar, é uma variação que permite a redução da corrente de saída sem aumentar o tamanho dos transistores. Ele é especialmente útil para gerar correntes pequenas em circuitos integrados sem ocupar muito espaço.

Funcionamento:

1. Resistor no Emissor/Fonte: Um resistor é adicionado ao emissor (BJT) ou à fonte (MOSFET) do segundo transistor, o que aumenta a queda de tensão, reduzindo a corrente de saída.
2. Redução de Corrente: A corrente de saída é reduzida exponencialmente com o aumento da resistência, sem a necessidade de aumentar o comprimento do canal dos transistores.

Aplicações:

Muito usado em circuitos de baixa potência e em situações onde é necessário gerar pequenas correntes de forma precisa.

Beta Helper Current Mirror

O Beta Helper Current Mirror é uma topologia criada para compensar as perdas de corrente de base em transistores bipolares com baixo ganho de corrente \( \beta \). Ele usa um transistor adicional para fornecer a corrente de base ao transistor espelhado, o que melhora a precisão da corrente replicada.

Funcionamento:

1. Transistor Helper: Um transistor adicional fornece a corrente de base para o transistor de saída, reduzindo a perda de corrente de base e aumentando a precisão.
2. Precisão Melhorada: A corrente de saída é menos afetada pela corrente de base, o que é especialmente importante em transistores bipolares com \( \beta \) baixo.

Aplicações:

Utilizado em circuitos bipolares onde a precisão da corrente espelhada é essencial.

Buffer Current Mirror

O Buffer Current Mirror usa um estágio de buffer para melhorar a estabilidade e precisão da corrente de saída, especialmente em circuitos com cargas variáveis. O buffer é geralmente implementado com um transistor adicional, que isola a carga da corrente espelhada.

Funcionamento:

1. Buffer Adicional: O transistor de buffer isola a corrente espelhada da carga, garantindo que a corrente de saída permaneça estável mesmo com variações na carga.
2. Melhoria na Impedância de Saída: Com o buffer, a impedância de saída do espelho de corrente é aumentada, melhorando a precisão e a estabilidade da corrente.

Aplicações:

Amplamente utilizado em circuitos onde a carga pode variar significativamente, como amplificadores operacionais e reguladores de tensão.

Conclusão

As diversas topologias de espelho de corrente oferecem soluções adequadas para diferentes aplicações, desde circuitos simples de replicação de corrente até amplificadores e circuitos de alta precisão. Topologias como o Cascode Current Mirror e o Wilson Current Mirror se destacam por sua alta precisão e estabilidade, enquanto o Widlar Current Mirror permite gerar pequenas correntes com economia de espaço. O Beta Helper e o Buffer Current Mirror melhoram a precisão e a estabilidade em circuitos bipolares e cargas variáveis.

Referências

• Elliot Sound Products. “Current Sources, Mirrors and Current Steering”. Acessado em https://sound-au.com/ism.htm.
• Wikipedia. “Wilson Current Mirror”. Acessado em https://en.wikipedia.org/wiki/Wilson_current_mirror.
• Wikipedia. “Widlar Current Source”. Acessado em https://en.wikipedia.org/wiki/Widlar_current_source.
• Gray, Paul R. et al. “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th Edition”. Capítulo 4, páginas 267 em diante.

Sobre o Autor

Carlos Delfino

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Um Eterno Aprendiz.
Professor de Introdução a Programação, programação com JavaScript, TypeScript, C/C++ e Python
Professor de Eletrônica Básica
Professor de programação de Microcontroladores.

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