【圖文分析】電流鏡電路分享-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-07-06
電流鏡電路可以用晶體管和MOSFET來搭建，盡管我們可以用這兩個簡單的有源器件或直接使用一個放大器電路，但其輸出并不完美，而且有著自身的局限并依賴于外部因素。所以為了得到穩(wěn)定的輸出，我們必須在電流鏡電路上加入另外的技術(shù)。
改進(jìn)電流鏡電路輸出的方法有很多種。比如可以在傳統(tǒng)的雙晶體管設(shè)計(jì)上再加入一個或兩個晶體管。這些電路使用射極跟隨器的配置來解決基極電流失配的問題，我們可以改變電路的結(jié)構(gòu)來平衡輸出阻抗。
分析電流鏡電路性能一共有三大指標(biāo)。
1.首先就是靜態(tài)誤差的數(shù)量。這是輸入電流和輸出電流的差異。要想減小其差異相當(dāng)困難，因?yàn)椴罘謫味溯敵鲛D(zhuǎn)換的差異與差分放大器的增益將決定共模抑制比和電源。
2.另一大指標(biāo)就是電流源輸出阻抗或者說是輸出電導(dǎo)率。這是十分重要的指標(biāo)，因?yàn)楫?dāng)電流源起到有源負(fù)載的作用時(shí)，它會影響到增益級。而且在不同情況下它也會影響到共模增益。
3.為了電流鏡電路的穩(wěn)定運(yùn)行，最后一大指標(biāo)就是來自輸入與輸出間供電線路的最小電壓。
為了改善基本電流鏡電路的輸出，并考慮到以上三大指標(biāo)，我們這里需要用到兩大電流鏡技術(shù)——威爾遜電流鏡電路和維德拉電流源電路。
這個電路的由來源自于George R. Wilson和Barrie Gilbert兩位工程師之間的挑戰(zhàn)，而這場挑戰(zhàn)的勝利落入了George R. Wilson的手中。該改進(jìn)版的電流鏡電路也由他的名字來命名。
威爾遜電流鏡電路用到了三個有源器件來接收輸入電流，并為輸出提供了精準(zhǔn)的鏡像電流。
以上的威爾遜電流鏡電路中，三個有源器件都是BJT再加上一個電阻R1。
電路需要兩條假設(shè)——一是所有的晶體管都有著相同的電流增益，二是T1和T2的集極電流相等，因?yàn)門1和T2相匹配且使用的是相同的晶體管。
因此
IC1=IC2=IC
這也可以適用于基極電流，
IB1=IB2=IB
T3晶體管的基極電流可以由電流增益來計(jì)算
IB3=IC3/β…（1）
而T3的射極電流則為
IE3=IC2+IB1+IB2…（2）
如果我們看看上面的原理圖，就可以發(fā)現(xiàn)T3射極的電流正是T2集極電流加上T1與T2基極電流的和。
因此，
IE3=IC2+IB1+IB2
該等式可以被進(jìn)一步簡化為：
IE3=IC+2IB
因此
IE3=（1+（2/β））IC
帶入（2）式可得
（（β+1）β）IC3=（1+（2/β））IC
可以將集極電流簡化為
IC=（（1+β）/（2+β））IC3…（3）
由原理圖可得
IR1=IC1+IB3
而IC1=IC2=IC
所以IR1=IC+IB3
由式（3）和（1）可得
IR1=（（1+β）/（2+β））IC3+IC3/β
簡化為IR1=（（1+β）/（2+β）+1/β）IC3
IC3=IR1/（1+2/（β（β+2）））
以上關(guān)系式解釋了第三個晶體管集極電流與輸入電阻間的關(guān)系。如果2/（β（β+2））遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1的話，那么IC3≈IR1。如果晶體管基射級電壓小于1V的話，輸出電流則可以輕易算出。
IC3≈IR1=（V1-VBE2-VBE3）R1
所以為了得到合適穩(wěn)定的輸出電流，R1和V1必須選取合適的值。要讓電路作為恒流源使用的話，R1需要替換為恒流源。
威爾遜電流鏡電路可以進(jìn)一步追求更高進(jìn)度，我們只需加入另一個晶體管。
以上電路為改良版的威爾遜電流鏡電路。該電路中加入了第四個晶體管T4。額外的T4平衡了T1和T2的集極電壓。T1的集極電壓等于VBE4。這也就限制并穩(wěn)定了T1和T2間的電壓差異。
與傳統(tǒng)電流鏡相比威爾遜電流鏡電路有幾項(xiàng)優(yōu)勢：
在傳統(tǒng)電流鏡電路中，基極電流的失配是個很常見的問題。然而，Wilson電流電路消除了基極電流平衡的錯誤。正因如此，輸出電流與輸入電流近乎一致。不僅如此，由于T3基極對T1的負(fù)反饋，電路有著非常高的輸出阻抗。
4個晶體管組成的改良版的威爾遜電流鏡電路十分適用于大電流應(yīng)用。
威爾遜電流鏡電路在輸入上有著非常小的阻抗。
電路不需要額外的偏置電壓，且所需元件不多。
威爾遜電流鏡的限制
當(dāng)威爾遜電流鏡電路用于高頻應(yīng)用時(shí)，負(fù)反饋循環(huán)會使頻率響應(yīng)不穩(wěn)定。
與兩個晶體管組成的傳統(tǒng)電流鏡電路相比，它有著更高的順從電壓。
威爾遜電流鏡電路會在輸出上產(chǎn)生噪聲。這是由于反饋提高了輸出阻抗，也直接影響了集極電流。基極電流的波動導(dǎo)致了輸出端的噪聲。
以下是用Proteus仿真的威爾遜電流鏡電路。
其中選取的BJT皆為相同規(guī)格的2N2222。此處的電位計(jì)用于改變Q2的集極電流，從而進(jìn)一步改變了Q3的基極電流，至于輸出負(fù)載，此處選取了10Ω的電阻。
從仿真結(jié)果我們可以看出，輸入和輸出的電流一致。
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