技術(shù)文章

　　電流鏡是一種廣泛流行的單片IC設(shè)計(jì)技術(shù)，在這種技術(shù)中，電路的設(shè)計(jì)方式是將通過(guò)一個(gè)有源器件的電流復(fù)制到另一個(gè)具有電流控制功能的有源器件。在這種情況下，流過(guò)一個(gè)設(shè)備的電流可以被復(fù)制到另一個(gè)設(shè)備中，但以反相形式。

　　如果第一個(gè)設(shè)備的電流發(fā)生變化，另一個(gè)設(shè)備的鏡像電流輸出也會(huì)發(fā)生變化。因此，通過(guò)控制一個(gè)設(shè)備中的電流，也可以控制另一個(gè)設(shè)備中的電流。所以，電流鏡電路通常被稱(chēng)為電流控制電流源，英文簡(jiǎn)稱(chēng)CCCS。

　　主要特性和依賴(lài)性

　　電流鏡電路具有許多主要和次要的依賴(lài)性，這是表征電流鏡電路的主要關(guān)注點(diǎn)。一個(gè)合適的電流鏡電路可以用三個(gè)規(guī)格來(lái)表征，具體如下：

　　當(dāng)前傳輸率；電流鏡電路將一個(gè)有源器件的輸入電流鏡像或復(fù)制到其他有源器件的輸出。理想電流鏡電路是具有可反轉(zhuǎn)電流方向的反相配置的理想電流放大器。因此，對(duì)于理想的電流放大器，電流傳輸比是一個(gè)重要參數(shù)。

　　交流輸出電阻；根據(jù)歐姆定律，電阻具有電壓-電流關(guān)系。因此，交流輸出電阻在輸出電流相對(duì)于電壓變化的穩(wěn)定性方面起著重要作用。

　　電壓降；正常工作的鏡像電路在輸出端具有低電壓降。電流鏡電路可以工作的電壓范圍稱(chēng)為順從范圍，在這個(gè)順應(yīng)范圍內(nèi)支持的最小到最大電壓稱(chēng)為順從電壓。保持晶體管處于活動(dòng)模式需要最小電壓，因此最小電壓取決于晶體管規(guī)格。

　　主要局限性

　　理想電路和實(shí)際電路是完全不同的。在現(xiàn)實(shí)世界中，沒(méi)有什么叫做完美或理想的情況。當(dāng)然，在了解電流鏡電路在實(shí)際應(yīng)用中的局限性之前，需要了解電壓和電流源及其理想和實(shí)際行為。

　　電壓源是一種能夠?yàn)樨?fù)載提供固定和穩(wěn)定電壓的設(shè)備。用理想的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，電壓源將持續(xù)提供固定電壓，而不依賴(lài)于負(fù)載電流。因此，我們可以在理想電壓源上連接任意負(fù)載電阻，每次都能得到穩(wěn)定、固定的電壓。在現(xiàn)實(shí)世界的電壓源中情況并非如此。在現(xiàn)實(shí)世界中，電池、電源等電壓源無(wú)法為負(fù)載提供無(wú)限或無(wú)限的電流。

　　與理想電壓源一樣，無(wú)論終端電壓如何，電流源都可以提供或接受電流。但在現(xiàn)實(shí)世界中，電壓也會(huì)影響恒流輸送過(guò)程。

　　在電流鏡電路的情況下，電壓和電流源是理想的。但在實(shí)際情況下，它們具有噪聲、容差和紋波，因此輸出電壓會(huì)發(fā)生變化，這都會(huì)影響電流鏡輸出。

　　不僅如此，理論上在理想電流鏡電路中，交流阻抗被認(rèn)為是無(wú)限的，但在現(xiàn)實(shí)世界的情況下并非如此。實(shí)際世界中的電流鏡電路具有影響電流傳輸過(guò)程的有限阻抗。此外，電路實(shí)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致頻率限制的寄生電容。

　　應(yīng)用電路

　　1、使用BJT的電流鏡電路

　　雙極結(jié)型晶體管廣泛用于電流鏡像，使用雙極結(jié)型晶體管作為電流鏡電路的第一個(gè)技巧是使用晶體管構(gòu)建指數(shù)電壓到電流轉(zhuǎn)換器。這是通過(guò)在BJT的基極-發(fā)射極結(jié)上提供電壓來(lái)完成的，并且集電極電流作為輸出。

　　在這種電壓到電流轉(zhuǎn)換器配置中，晶體管上的簡(jiǎn)單負(fù)反饋將電壓到電流轉(zhuǎn)換器特性轉(zhuǎn)換為相反的對(duì)數(shù)電流到電壓轉(zhuǎn)換器。通常情況下，負(fù)反饋是通過(guò)連接晶體管的基極和集電極來(lái)完成的，其電路圖如下圖所示：

　　在了解上面電路如何工作之前，必須了解晶體管的工作特性。在主動(dòng)模式操作中，晶體管集電極電流可以通過(guò)將基極電流乘以β的比率來(lái)計(jì)算。發(fā)射極電流與集電極電流之比稱(chēng)為ɑ。這兩者之間的關(guān)系可以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來(lái)描述：

　　ɑ=β/(β+1)

　　因此，恒定的基極-發(fā)射極電壓提供了恒定的發(fā)射極電流。這個(gè)恒定的發(fā)射極電流可以乘以恒定的ɑ比率進(jìn)一步提供恒定的集電極電流。

　　所以在上圖中，正向偏置二極管與基極-發(fā)射極結(jié)并聯(lián)使用，為晶體管提供恒定電壓。基極-發(fā)射極兩端的電壓是恒定的，取決于流過(guò)二極管的電流。但是，二極管電流可以由偏置電阻控制。如果通過(guò)增加偏置電阻值來(lái)減少通過(guò)二極管的電流，則二極管兩端的電壓降也會(huì)降低。由于基極-發(fā)射極結(jié)電壓降低的影響，發(fā)射極電流也將按相同比例減小。需要注意的是，晶體管的ɑ和β是恒定的。

　　通過(guò)改變二極管電流，可以控制晶體管的發(fā)射極電流。同樣地，晶體管的集電極電流也可以按相同的比例變化。通過(guò)這個(gè)規(guī)則，晶體管的發(fā)射極電流可以測(cè)量到晶體管的集電極。因此，偏置電阻可以控制晶體管的集電極電流。

　　另外，可以使用與其他對(duì)應(yīng)物相同的晶體管輕松更改該二極管。在下圖中，顯示了兩個(gè)晶體管，它們用于創(chuàng)建電流鏡像電路。晶體管T1和T2需要是相同配對(duì)型號(hào)。此外，兩個(gè)晶體管應(yīng)彼此靠近放置，以實(shí)現(xiàn)相等的熱傳遞。

　　如果仔細(xì)看電路可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)晶體管T1和T2的基極-發(fā)射極彼此并聯(lián)，所以這兩個(gè)晶體管具有相同的電流。因此，確定輸出電流的最佳方法是將IREF流動(dòng)的節(jié)點(diǎn)電流相加。

　　根據(jù)基爾霍夫定律，T1集電極的電流為：IREF=IC+IB1+IB2。

　　因此，當(dāng)兩個(gè)晶體管在零基極-集電極偏置下工作時(shí)，基極電流相等，既有T1的基極電流(IB1)=T2的基極電流(IB2)=節(jié)點(diǎn)的總基極電流(IB)。

　　2、使用MOSFET的電流鏡技術(shù)

　　電流鏡電路可以使用兩個(gè)MOSFET晶體管輕松實(shí)現(xiàn)，MOSFET電流鏡電路的工作原理與前面晶體管部分中描述的類(lèi)似，其原理圖如下所示：

　　考慮上述使用MOSFET的電流鏡電路，MOSFET晶體管M1處于飽和區(qū)，因?yàn)閂DS≤VGS。對(duì)于MOSFET晶體管M2，只要輸出電壓大于飽和電壓，它也將保持在飽和模式。因此，M1上的輸入電流將直接控制M2的輸出電流。

　　主要應(yīng)用

　　電流鏡電路在集成電路制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。參考電流源是使用電流鏡電路創(chuàng)建的，通過(guò)使用此技術(shù)，可以從單個(gè)源創(chuàng)建多個(gè)參考點(diǎn)。因此，改變一個(gè)參考點(diǎn)也會(huì)改變電路不同部分的電流源。

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