カレントミラー回路の具体的な作り方

質問

電子回路初心者ですが、下記内容で回路を作らなければならず、ご教授いただけないでしょうか？

DCにて、１０ｍA～２０ｍAの固定電流を、１０オーム程度の抵抗を持つ半導体素子（ダイオード）に
通電をしないといけません。その時の電圧はおおよそ２V程度です。

ただし、通電中にデバイスが劣化などによりショートしてしまっても、最初に設定した固定電流以上には流さないような回路を作らなくてはなりません。
同時に１０個ほど固定電流を流しながらデバイスを評価したく思います。

どのように、カレントミラー回路を作製すればよろしいでしょうか？
電子回路初心者ですので、具体的にどのような素子を選んで、どのように計算して目安を付け
回路を作ればよいか、教えて頂けないでしょうか？

大変困っておりおります。
助けて頂けないでしょうか？

回答No.3

xpopo

今晩は、回答ＮＯ．１です。

　まず最初に、謝らなければなりません。すみません、デバイスの電圧降下が２Ｖというのを
電源電圧と勘違いして電源を２Ｖで設計した内容で回答してしまいました。
　これでは正常に動作しませんので、電源を５Ｖに変更した回路と抵抗Ｒ１を変化させた
時の出力電流の関係の特性のシミュレーション結果を添付し直しましたのでこちらを参照ください。
　尚、抵抗値が変わってますので確認願います。また、R1は１ｋΩの可変抵抗に変更しました。
つぎに以下に動作の説明をいたします。

　 まず、抵抗Ｒ１、Ｒ２とＲ３に基準の電流を流します。Ｒ１、Ｒ２に流れる電流はほとんどトランジスタのコレクタに流れます。Ｒ３にはその同じ量の電流が流れます。この基準になる電流をＩ０とします。
　ここでトランジスタのベース－エミッタ間電圧をＶＢＥ、コレクタ電流をＩｃ、コレクタの逆方向飽和電流をＩｓとするとＶＢＥは
　ＶＢＥ　＝　ＶＴ*ｌｎ（Ｉｃ／Ｉｓ）　　　（１）
という関係式が成り立ちます。ここでＶＴは　ＶＴ＝ｋＴ／ｑ　（ｑ：電子素量、Ｔ：絶対温度、ｋ：ボルツマン定数）
　まず、Ｑ１のベース電圧　ＶＢ１　は
　　　ＶＢ１　＝　Ｉ０*Ｒ３　＋　ＶＢＥ１　＝　Ｉ０*Ｒ３　＋　ＶＴ*ｌｎ（Ｉ０／Ｉｓ１）　　　（２）
で表されます。次に負荷としてＱ２とＲ４の回路を考えます。Ｑ２のコレクタ電流をＩｃ２とします。
Ｑ２のベース電圧は　ＶＢ２　は
　　　ＶＢ２　＝　Ｉｃ２*Ｒ４　＋　ＶＢＥ２　＝　Ｉｃ２*Ｒ４　＋　ＶＴ*ｌｎ（Ｉｃ２／Ｉｓ２）　　（３）
で表されます。
　ＶＢ１とＶＢ２は等しいので、式（２）から式（３）を引いて、
　　　ＶＢ１－ＶＢ２　＝　Ｉ０*Ｒ３－Ｉｃ２*R4　＋　VT*ｌｎ（Ｉ０／Ｉｓ）　－　ＶＴ*ｌｎ（Ｉｃ２／Ｉｓ）　＝　０
Q1とQ２は同じ種類のトランジスタの場合、Is1とIs2は等しい。したがって、
　　VT*ｌｎ（I０／Ic2）　＝　Ic2*R4　－　I０*R3　　（４）
という関係が得られます。式（４）でVTは常温（２５℃）で約２６ｍVになります。提示した回路
ではI0を5.45mAの時にIc2を20mA流し、R3を２００Ωとして式（２）からR4を計算してます。
式（４）を変形して、
　R4　＝　（VT*ｌｎ（I０／Ic2）＋I０*R3）／Ic2　　（５）
この式（５）に上記数値を代入し、R４は52Ωと計算されます。実際の回路では、R4には５１Ωを使っています。
　更に、ほかのQ３からＱ５の負荷も同様な設計になります。
これまで説明しませんでしたがトランジスタＱ６の機能について以下に説明します。負荷が１系統だけ、たとえばＱ２とＲ４の回路だけの場合はＱ６は使用せずに、単純にＱ１のコレクタとベースをショートします。その場合Ｑ１のコレクタからＱ１、Ｑ２のそれぞれのベース電流が流れます。この２つのトランジスタのベース電流はＲ１、Ｒ２に流れる電流から差し引かれる誤差電流に相当します。負荷がＱ２以外に沢山接続されてくるとそれら全てのベース電流をＱ１のコレクタから供給することになってしまいますので誤差が更に大きくなってしまいます。その対策としてＱ６のベースをＱ１のコレクタに接続し、エミッタをＱ１のベースにそしてコレクタを電源に接続します。こうすることにより、Ｑ１のコレクタからカレントミラーの負荷のトランジスタのベース電流はＱ６のエミッタから供給できるようになり、Ｑ１のコレクタからはＱ６のベース電流だけ分流するだけでよくなるので、誤差が大幅に減少します。
　回答NO.2の方が指摘されているような、どれかの負荷がオープンになった場合にはべース電流がかなり大きくなりますが、Q6のおかげで、その増加したベース電流をまかなってくれるため、他の
カレントミラーの負荷の設定電流への影響を大幅に軽減してくれます。

お礼

xpopo様

回路の修正および、順を追って御説明してくださり、
よくわかりました。

ありがとうございました。
実際の回路の駆動状態が理解できました。

大変感謝しております。

実際駆動回路作製し試してみます。
ありがとうございました。

回答No.2

veryyoung

「通電中にデバイスが劣化などによりショートしてしまっても」とありますが「断線してしまっても」という条件下のブロック間干渉対策は、ご要望の対象外でしょうか。必要精度によりますが、既回答は後者の意向をかなえるものでは無いかもしれません。仕様に関しQ&Aの不整合が無いか心配になりました。コレクタの結線が切れ、エミッタフォロア的機能を失ったトランジスタは、大きなベース電流を要求するので、正常ブロックの電流値は小さくなります。
取り越し苦労なら良いのですが・・・。

お礼

veryyoung様

コメントありがとうございます。
評価デバイスのOPEN状態は考慮しておりませんでした。

ありがとうございます。

xpopo様より、この点のコメントいただき他のカレントミラー回路には影響は小さいとコメントいただき、
安心いたしました。

ご指摘ありがとうございました。

回答No.1

xpopo

添付回路を参照ください。

トランジスタは　2SC1815　を使用します。

回路図で抵抗　R1　には　500Ω　の可変抵抗を使用してください。

添付の回路図の下のグラフは抵抗　R1　を　0.01Ω　から　500Ω

まで変化させた時の負荷、１０Ωに流れる電流を示してます。

添付の回路図では４つの１０Ω（R8～R11）に固定電流を流すようになっています

が、４つ以上に増やす場合は、同じ回路を増やしてゆけばいいだけです。

尚、通電中にどれかのデバイスがショートしても設定値の電流は変化しません

ので大丈夫です。

それから図ではデバイス（ダイオード）が抵抗R8～R11になってますが、これらの

抵抗をダイオードに置き換えても電流は変わりません。

お礼

xpopo様、
早速回答して頂きましてありがとうございます。
回路早速試してみたいと思います。
ありがとうございました。

あと、大変恐縮ですがこの回路の動作を解説して頂けないでしょうか？

トランジスタＱ１に対して、可変抵抗Ｒ１によりＲ１よりＲ３方向へ所望の電流値（たとえば20mA）が流れてます。

この時トランジスタQ6の動作は、Q6のベース側に、トランジスタQ1のコレクタ側を接続されております。
トランジスタQ6のエミッタ側を、必要個数のカレントミラー回路となっておりますが、

どうして、この回路でミラー回路になるのかよくわかりません。
電子回路初心者で、どうも動作が理解ができずにおります。

順を追って、解説して頂けないでしょうか？
お手数おかけしてすみませんが、御教授ください。

よろしくお願いいたします。