用实际设计探索电流镜电路

Möbius Strip似乎有一个有趣的属性:它只包括一条边和一面!我们可以用钢笔或铅笔在铁环上画一条线来说明这一点。延长这条线直到你到达你的初始位置，在那里你会发现你已经完成了整个strip，覆盖似乎是“任何”的两边。本质上，你已经完成了一个720度的回合!Möbius带的独特特点，显然，是由于箍的“扭曲”。这被称为节点或奇点。在数学术语中，它被称为高阶极点。拓扑结构是分析这种特殊物体的数学领域。

你可能会问:“拓扑学和电子学有什么关系?”通过评估集成电路体系结构的一个非常基本的构建块，奇点解决了许多设计困难。一个真正的“拓扑学家”可能不同意我们对电子学的比较，但它满足了我们的需要。

默比乌斯电路

观察Q1的集电极在下图所示的电路中被短路到它的基座。这被称为a二极管连接晶体管。

Q1仍然处于“有源”工作模式，因为集电极到基极电压为零。此外，连接Q1和Q2的基极和发射极导致它们共享相同的基极-发射极电压。

对于硅晶体管，电阻R1向Q1提供固定偏置电流，产生约0.6伏的基极-发射极电压。Q2由这个电压偏置成传导。现在，我们假设两个晶体管的基极-发射极电压和增益完全匹配，并且电流增益异常高。因为Q1和Q2的基极和发射极电压相同，所以基极和发射极电流也相同。

当Q2负载在其“顺应性”范围内时，两个晶体管的集电极电流完全相同，这是电路最重要的方面。如此大的增益，基极电流无关重要，Q2的集电极电流与通过Q1的电流相匹配。

我们可以断言来自R1的源电流是Q2的“镜像”，假设传统的电流流动(电子从正极流向负极)来解释电路响应。Q2在集电极吸收的电流与Q1相同。因此，这种形式的电路被称为“电流镜”。

晶体管Q2的“顺应”范围，即其sink电流与source电流相同，可以在+V到0.6伏特之间的任何地方。如果电压降低到0.6伏以下，Q2的集电极-基极结将产生负偏置。

例如，将Q2的集电极短路至+V，或在R1确定的负载(或源)电流处使用足够值的阻性负载将+V降低至0.6伏，也是可行的选择。R1的值可由以下公式计算:

(+ v - 0.6v) / i_水槽

当然，所用的晶体管必须能够处理所需的电流。Q1和Q2共享的基极-发射极电压(0.6 V)在基电流镜像电路中是一个“奇点”。无论我们使用理想部件和匹配对Q2的输出电路做什么，奇点都不会改变。无论负载是什么，它都保持其预期电压。

一个例子是下图所示的电路。

与Q2同时推出的是Q3和Q4晶体管。与Q2一起，每一个额外的晶体管现在可以吸收相同数量的电流。我们现在可以通过连接Q2、Q3和Q4的收集器来吸收三倍于输入源电流的电流，如下图所示。

这是因为，“复合”晶体管Q2-Q3-Q4现在的硅面积是单个晶体管的3倍。

因此，在构建集成电路时，电流镜采用具有可变芯片面积的晶体管，以在整个集成电路中产生不同水平的电流。这在“电流转向”电路中很常见。电流镜是一个极好的电流接收器(当与NPN设备一起使用时)或源(与PNP单元一起使用)。这两种电路都可以简单地建立在单片芯片上。

正如您所看到的，我们的“Möbius”电路包含一些有趣(和有用)的特性，尽管我们在用拓扑比较来分析它时做得有点过头了。在这一点上，它可能看起来是一个“最佳”电路，使大量并行输出具有完美的性能。

然而，在现实中，这从来不会发生。我们将在接下来的电路板测试中看到，基极-发射极电压和增益匹配、温度监测、输出电阻等参数对电路效率都有不同程度的影响。此外，我们将演示一些电路调整，这将大大加强我们的发现。

如何设计电流镜

标准的离散晶体管是我们开始探索的理想场所。一个微小的无焊料面包板，一个基本的9伏电池，几个1/4瓦的电阻，和一对晶体管是所有所需要的。如果你已经有一堆零件号相同的通用晶体管，你就可以出发了。如果没有，像2N3904或2N2222这样的NPN变种可以便宜地以10或15件包装获得。同样，PNP变体，如2N3906和2N2907也很容易在市场上获得。

在我们的第一个实验中，我们将尝试把两个分开的晶体管联系在一起。也许，从10个棋子，你可以打击一个伟大的连击!另一方面，合法的结果不需要很好的匹配。

在一个电路板上构建基本的电流镜电路，在适当的地方使用22号实线跳线，如图NPN器件的图a和PNP bts的图B所示。

从R1的8200欧姆值开始，输入参考电流为:

(9.0伏- 0.6伏)/8200欧姆或大约1ma。

对电路施加电压，并将电流表M1与R1串联起来。取当前测量值的读数。将R1改为82,000欧姆，重复上述步骤。我们现在可以观察到大约100微安的读数;把这个也记下来。

从电路中移除M1并重新连接R1。测量Q1和Q2的基极-发射极结之间的电压降，Q2的集电极引脚处于开路状态，电压降应该在0.6伏左右。Q2的集电极应连接+V (NPN型)或接地(PNP型)。

你可能会发现基极-发射极电压降增加了10到20 mV。这是由于晶体管有限的增益和输出电阻，在物理领域有非标准规格。我们很快就会向你解释提价的影响。

将M2与Q2的集电极连接(显然，使用电流表)，记录输出电流R1为82,000欧姆。

现在，应该可以看到100微安的测量范围了。用相同数量的Q2替换不同的晶体管。再次注意输出电流。在处理任何一个晶体管后，让电路温度正常，以确保读数准确。

将先前的原始晶体管连接到现有的Q2并记录输出电流，这应该相当于您先前观察到的总电流。

返回到Q2的一个单元，并重复这一过程与其他几个bjt，以检查你是否能找到匹配Q1的晶体管。如果你能达到目标的10%或20%，那你就很幸运了!

修改R1再次为1毫安参考电流8200欧姆，一旦你找到了“最接近的匹配。”

参考电流受电压降影响最小，而输出电流受影响最大!

现在用你的手指触摸Q2，观察相反的结果:输出电流随着Q2的有效偏置阈值下降而快速增加，但净基极/发射极电压以及参考电流保持不变。

为了实现离散的BJT器件，跨两个晶体管的温度监测显然成为一个主要问题。使用一个普通的散热器，甚至是将bject粘在一起，当然会有很多好处。

然而，理想的解决方案是采用沿同一基材制造的组件并封装在一起。之后，我们将更详细地讨论这个方法。

现在，我们将使用上面讨论的“匹配”电路来学习有限增益和输出电阻的含义。一旦两个晶体管的温度稳定下来，检查输出电流，注意它在1ma左右。

现在可以将R2添加到电路中，如下图C所示，它是电路的NPN形式。

R2是用同样的方法引入的如果你处理的是电路的PNP变量。R2应该设置为1000欧姆。注意当前输出。

接下来，将R2的值增加大约2000欧姆，并再次记录输出电流。在测量输出电流的同时继续增加R2的值，直到达到7500欧姆左右。在目前的水平上，晶体管必须接近其最佳顺应电压。

对于普通晶体管，当R2的值在顺应范围内升高时，输出电流下降20%左右。与R2并联的电路输出阻抗低，这就造成了这个问题。

理想电流源

对于一个真正的恒流输出，一个完美的电流源或接收器，我们需要有一个无限的输出阻抗。该电路的输出阻抗一般在100,000欧姆范围内。

为了获得完全精度，我们需要在高兆欧区域有一个阻抗值。如你所见，我们的“Möbius电路”是一个非常基本和有效的电流发生器。然而，在精确度方面，它还有改进的空间。现在我们来看看对上述电路的一些修改，它们将使我们更接近“完美”电流镜。

温度补偿

温度监测和有效的晶体管匹配是电流镜电路的两个关键问题。这两个问题都表明，输出的可靠性和可靠性是值得怀疑的。值得庆幸的是，在同一基片上有各种匹配晶体管的集成电路。

另一个与温度相关的问题是Q1的温度系数偏差，这会改变基极-发射极电压，从而改变参考电流。一些额外的部分，可以用来纠正这一点，如下所示。

当一个典型的红色LED偏压在5毫安时，二极管上的电压降达到1.6伏。因为Q1的基极-发射极电压大约是0.6伏，R1上可以看到1伏。

输出电流与发射极底部的电压成正比。电压每降低60mv，输出电流就减少10年。当R2在10微安时下降120mv时，输出电流必须接近10微安。

LED1和Q1有相同的温度系数，减去R1的压降;因此，可以获得很好的补偿。参考电流很容易通过将R1的值除以一伏特来确定。该电路有一个额外的好处，即允许使用相当低的R1值。当需要低输出电流值时，这是非常有益的。

Widlar电流镜

R1值通常相当高。值得庆幸的是，有另一种方法可以产生极低的电流，同时将R1保持在可容忍的范围内。下面显示的电路被称为Widlar电流镜。

在Q2的发射极电路中可以看到附加电阻R2。假设参考电流被调整到1ma, R1固定在8200欧姆，你想要一个10微安的输出电流。如果没有R2, R1需要820,000欧姆的值才能完成这个任务。然而，通过添加R2，我们可以降低提供给Q2的基极-发射极电压。

尝试在面包板上为R2设置12,000欧姆的值。使用明显较低的电阻值，您可能会达到接近10微安的输出。

另外，检查输出的一致性范围，看看准确性是否增加了。Widlar反射镜的输出阻抗更大。

为了降低输出电阻和偏置问题，一些设计采用了额外的晶体管来提供Q1和Q2的基极电流驱动。

在我们总结的电流镜像例子中，演示了电流发生器可能的极端速度。在某些情况下，基于离散BJT的电流源或汇点比基于运算放大器的解决方案具有显著的优势。

给电流镜门

下面的图说明了为当前的镜像“添加门”是多么简单。R1是直接通过任何传统CMOS门能够处理参考电流。CMOS门控制上升和下降的时间。

该电路采用2N5117晶体管作为积分器，由运放提供动力，并进行高速门控。电流镜，如你所见，是一个非常灵活的电路，可以归类为Möbius电路。如果你检查基极-发射极电压的相关性，它似乎有一个奇点。为什么不把它包含到你即将到来的项目中呢?