电流镜
电流镜,一般指 1:1 电流镜,由输入电流支路、输出电流支路组成,输出电流受输入电流控制,且等于输入电流,像一个镜子一样。在电压域,与电流镜对应的是电压跟随器。
BJT组成的电流镜

核心:是两个基极连在一起,两个发射极连在一起,以迫使两者具有相同的 uBE,以使其 iB相等,进而保证 iC相等。
分类:
输出:负载一端接地:地型;反之浮型
输出:电流流出:吐型;反之纳型
上图红色字体是输入电流源类型,和电流镜类型相反
分析左上图:
输入电流约等于输出电流。
电流镜的不稳定性根源——Early Voltage(厄利电压)

如图2.1所示,按理说在RL(负载)和EC变化时,电流并不会发生变化,但是从上图能够明显看到输出电流,还是发生了变化
原因分析:
- 15k之后的下降:这个很容易解释,因为总供电电压只要 15V,15kΩ电阻上要保持 1mA 电流,正好是 15V,再增大电阻,晶体管已经完全进入饱和区,电流一定会下降。
- 第一阶段原因?(厄利电压,IC=βIB不成立)
厄利电压:

如上图所示,在三极管的输出特性曲线中,每根确定 IB 的输出伏安特性曲线,都是向左微弱倾斜的,这些线的向左延长线,会在很负的一个电压处,与横轴相交,且每根线与横轴的相交点,是重合的。这个相交点的电压取绝对值,就被称为 Early Voltage,标记为 VAF,中文译为厄利电压。
其中的𝑟CE就代表着晶体管输出伏安特性中某根曲线的倾斜程度,𝑟CE越小,曲线越倾斜
举例:


MOSFET 组成的电流镜

其中𝜆的单位是 1/V,表征输出伏安特性的倾斜程度。可以看出,和 BJT 晶体管一样,在不同负载电阻情况下,实际加载到输出晶体管的 uDS 是不同的,这会导致输出电流发生变化,即电流镜输出不稳定.
工作原理与 BJT 组成的电流镜类似,主要区别有:第一,因为没有门极电流,在两个晶体管的uDS 相同情况下,iOUT=iIN。第二,由于增强型 MOSFET 的开启电压,一般都大于 BJT 基极导通电压 0.7V,因此电路中门极电位要稍高一些。(恒流源强制改变G点电位)
比例电流镜
是标准 1:1 电流镜的一种变形,是指输出电流与输入电流成比例。

工作原理:恒定电流源 I1,迫使 Q1 流过 5mA 电流,Q1 的 S 端电位(即电阻 R1 的上端)必然为 5V,恒流源会主动改变 Q1 的 G 端电位,以改变 uGS,使得 Q1的 iD=5mA。此时,右边的 Q2 具有和 Q1 相同的 G 端电位,当它们具有相同的伏安特性时,R3 如果等于 R1,则两者的 iD 相等,当 R3 较小时,iD2 会大于 iD1,起到比例电流镜的作用。——它靠 R1和 R3 之间的比例关系,决定输出电流 iOUT 与输入电流 i1的比值。

上图采用图解法的方式,能够更直观的理解比例电流镜。当电阻伏安特性曲线和场效应管的伏安特性曲线的交点看做垂直时,电阻和电流是成相对于比例的
Widlar 电流源(微电流镜)
在运算放大器设计中,往往需要给输入级设置很小的静态集电极电流或者发射极电流,如果使用前述的电流镜或者比例电流镜,则必须使用较大的电阻。而集成电路内部,制作大电阻较为困难。因此,如何使用阻值较小的电阻,实现 10μA 数量级的输出电流,需要研究
Widlar 电流源,也称微电流源。它是在双晶体管电流镜基础上,给输出晶体管增加一个小电阻形成的,可通过设置电路中的 RE或者 RD,控制输出一个较小的电流。

对左侧第一个图进行分析:
连立方程,解得:
例题:
设计一个 BJT 组成的多路并联 Widlar 微电流源,电路供电电压为 10V,电路中最大电阻不得超过 3kΩ,要求实现浮纳型 3 路输出电流,分别为 50μA,100μA,200μA。

设计一个 MOSFET 组成的多路并联 Widlar 微电流源,电路供电电压为 10V,电路中最大电阻不得超过 4kΩ,要求实现浮纳型 3 路输出电流,分别为 50μA,100μA,200μA
- 公式基础(基于小节开始图片中,中间图分析):

解:

威尔逊电流镜—Wilson Current Mirror

根据前面的(第二节)的厄利电压,可以知道,三极管的UCE在放生变化时(放大区内),电流IC还是会有一定的变化,不完全受IB控制,那么威尔逊电流源就有效的控制了这一问题。
从上图可以看到Q1和Q1的UCE可以说是固定的了(Q1 是 1.4V,Q2 是 0.7V),这就有效的控制了UCE的抖动(当变化幅度很小的时候,IC近似的就可以从原本的斜线看做是直线)
比较输入和输出的关系,发现他们的比值比电流镜更接近于1

最大的贡献在于进一步保证了 Q1、Q2、Q3 具有几乎相同的,且很小的 uCE,能保证 Early 效应对其影响最小。
缺点:
1)顺从电压较大。
2)无法实现多组并联电流镜。
3)噪声较大,稳定性较差。




