【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。所以為了得到穩定的輸出，我們必須在電流鏡電路上加入另外的技術。
改進電流鏡電路輸出的方法有很多種。比如可以在傳統的雙晶體管設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構來平衡輸出阻抗。
分析電流鏡電路性能一共有三大指標。
1.首先就是靜態誤差的數量。這是輸入電流和輸出電流的差異。要想減小其差異相當困難，因為差分單端輸出轉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.另一大指標就是電流源輸出阻抗或者說是輸出電導率。這是十分重要的指標，因為當電流源起到有源負載的作用時，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定運行，最后一大指標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，我們這里需要用到兩大電流鏡技術——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，而這場挑戰的勝利落入了George R. Wilson的手中。該改進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——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，就可以發現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）））
以上關系式解釋了第三個晶體管集極電流與輸入電阻間的關系。如果2/（β（β+2））遠遠小于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一步追求更高進度，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。這也就限制并穩定了T1和T2間的電壓差異。
與傳統電流鏡相比威爾遜電流鏡電路有幾項優勢：
在傳統電流鏡電路中，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
當威爾遜電流鏡電路用于高頻應用時，負反饋循環會使頻率響應不穩定。
與兩個晶體管組成的傳統電流鏡電路相比，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皆為相同規格的2N2222。此處的電位計用于改變Q2的集極電流，從而進一步改變了Q3的基極電流，至于輸出負載，此處選取了10Ω的電阻。
從仿真結果我們可以看出，輸入和輸出的電流一致。
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