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  • 電流鏡電路圖解
    • 發(fā)布時間:2022-10-18 17:36:58
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    電流鏡電路圖解
    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)基礎(chǔ)電流鏡電路
    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,因為差分單端輸出轉(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),因為當(dāng)電流源起到有源負(fù)載的作用時,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。
    威爾遜電流鏡電路
    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。
    電流鏡電路
    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,因為T1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。
    改良版威爾遜電流鏡電路
    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。
    電流鏡電路
    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。
    威爾遜電流鏡的優(yōu)點和限制
    與傳統(tǒng)電流鏡相比威爾遜電流鏡電路有幾項優(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,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?;鶚O電流的波動導(dǎo)致了輸出端的噪聲。
    威爾遜電流鏡電路的實例
    以下是用Proteus仿真的威爾遜電流鏡電路。
    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。
    電流鏡電路
    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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