Mejorar el tiempo de subida del espejo de corriente NPN

Question

Estoy buscando una manera de mejorar el tiempo de subida de un espejo actual.

Mi problema es el siguiente: Quiero interactuar con un oscuro protocolo de un solo cable.

Empiezo con una señal digital que tiene un nivel alto que puede estar entre 1,8 y 5V (mostrado en el gráfico como DigIn). Necesito cargar esta señal en base a una señal digital diferente con un voltaje fijo (estoy generando esta señal). Esta señal se muestra como ModulateIn en el gráfico.

La corriente que extraigo de la señal de DigIn debe ser independiente del nivel de señalización de DigIn. Alrededor de 1mA, pero hay cierto margen de maniobra.

Para ello cargo la señal DigIn utilizando un espejo de corriente estándar como se muestra a continuación:

El circuito funciona como debería excepto por una cosa: no estoy contento con el tiempo de subida. Si ModulateIn sube, tarda un rato hasta que los transistores empiezan a conducir. Esto se puede ver en un pequeño retraso en la corriente extraída de DigIn.

Estoy tratando con frecuencias de aproximadamente 4Mhz aquí, por eso elegí transistores de RF rápidos.

Pregunta: ¿Cómo puedo mejorar el tiempo de respuesta del espejo actual? He probado las técnicas de aceleración de las aplicaciones de conmutación de transistores, como añadir un condensador de aceleración en paralelo a la resistencia de base, pero no funciona.

¿Alguna idea de cómo mejorar el tiempo de subida, aparte de elegir transistores aún más rápidos?

Answer 1

EDIT: mkeith ha señalado un fallo en mi diseño. La beta reducida podría ser un problema con Q4 en saturación. Voy a dejar esto aquí porque tiene alguna otra buena información, pero el circuito en sí no va a funcionar porque cuando Vmod es alta, DigIn será impulsado hacia atrás por Q4 que es probablemente muy indeseable.

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Los espejos de corriente no funcionan con mucha precisión con componentes discretos porque hay altos niveles de desajuste de transistores, así que dudo que los espejos de corriente sean una buena idea aquí. Otros problemas con su circuito incluyen la alta resistencia de R3 ralentizando la rapidez con la que la corriente puede ser inyectada en Q2 y Q1. La configuración que tienes obliga a que tu valor de corriente (1mA) esté directamente correlacionado con la velocidad de conmutación. Si aumentaras la corriente, conmutarías más rápido, pero has especificado que la corriente debe permanecer en torno a 1mA. Eso significa que tenemos que desacoplar de alguna manera estos dos parámetros de diseño.

He aquí un intento de resolver los problemas de los que hablas.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Q3 está en configuración de colector común (emisor-seguidor) por lo que no hay efecto miller por lo que es un interruptor rápido.

Q1 y Q4 están en una configuración en cascada que reduce la ganancia de Q1 reduciendo el efecto miller y aumentando así la respuesta en frecuencia del mismo. Q4 no hace nada más que fijar la tensión de colector de Q1 a ~2,3 como máximo por la típica tensión de umbral Vbe de 0,7V de un bjt. Q1 tiene dos propósitos, con su base a ~2.3V cuando Vmod es alto, el emisor estará a aproximadamente 1.6V. 1.6V/1.6kohms te da la corriente de 1mA que buscas. Al mismo tiempo, este es el transistor de conmutación. Cuando Vmod baja, la base de Q1 baja y evita que cualquier corriente fluya desde Dig_Sig hasta tierra.

Por último, R2 debe ajustarse a cualquier valor de su elección. Cuanto mayor sea la resistencia, más lenta será la respuesta del circuito. Cuanto menor sea la resistencia, mayor será la corriente de reposo que se desperdiciará.

Answer 2

Si utilizas transistores más rápidos y añades un poco de bias puedes reducir el retardo de forma significativa. Por ejemplo:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Esto tiene un tiempo de subida simulado de < 4ns.

Answer 3

Cuando se dispone de un raíl de tensión regulado, hay una forma sencilla de construir un disipador de corriente de un solo transistor que mantiene una corriente bastante constante en un rango bastante amplio de VCC. Por sí mismo, no creo que este circuito te ayude, pero lo presentaré de todos modos.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Básicamente, es un seguidor de emisor. Poniendo 0.5V a través de R3, dibuja alrededor de 1mA del colector sin importar el voltaje en DigIn. Sin embargo, tampoco creo que sea un conmutador rápido.

Hay un problema de coeficiente de temperatura, pero dependiendo de la precisión que se necesite, puede funcionar bastante bien.