电流镜电路工作原理及常见电路设计图

电流镜是一种广泛流行的单片IC设计技术，在这种技术中，电路的设计方式是将通过一个有源器件的电流复制到另一个具有电流控制功能的有源器件。在这种情况下，流过一个设备的电流可以被复制到另一个设备中，但以反相形式。

如果第一个设备的电流发生变化，另一个设备的镜像电流输出也会发生变化。因此，通过控制一个设备中的电流，也可以控制另一个设备中的电流。所以，电流镜电路通常被称为电流控制电流源，英文简称CCCS。

主要特性和依赖性

电流镜电路具有许多主要和次要的依赖性，这是表征电流镜电路的主要关注点。一个合适的电流镜电路可以用三个规格来表征，具体如下：

1. 当前传输率；电流镜电路将一个有源器件的输入电流镜像或复制到其他有源器件的输出。理想电流镜电路是具有可反转电流方向的反相配置的理想电流放大器。因此，对于理想的电流放大器，电流传输比是一个重要参数。
2. 交流输出电阻；根据欧姆定律，电阻具有电压-电流关系。因此，交流输出电阻在输出电流相对于电压变化的稳定性方面起着重要作用。
3. 电压降；正常工作的镜像电路在输出端具有低电压降。电流镜电路可以工作的电压范围称为顺从范围，在这个顺应范围内支持的最小到最大电压称为顺从电压。保持晶体管处于活动模式需要最小电压，因此最小电压取决于晶体管规格。

主要局限性

理想电路和实际电路是完全不同的。在现实世界中，没有什么叫做完美或理想的情况。当然，在了解电流镜电路在实际应用中的局限性之前，需要了解电压和电流源及其理想和实际行为。

电压源是一种能够为负载提供固定和稳定电压的设备。用理想的术语来说，电压源将持续提供固定电压，而不依赖于负载电流。因此，我们可以在理想电压源上连接任意负载电阻，每次都能得到稳定、固定的电压。在现实世界的电压源中情况并非如此。在现实世界中，电池、电源等电压源无法为负载提供无限或无限的电流。

与理想电压源一样，无论终端电压如何，电流源都可以提供或接受电流。但在现实世界中，电压也会影响恒流输送过程。

在电流镜电路的情况下，电压和电流源是理想的。但在实际情况下，它们具有噪声、容差和纹波，因此输出电压会发生变化，这都会影响电流镜输出。

不仅如此，理论上在理想电流镜电路中，交流阻抗被认为是无限的，但在现实世界的情况下并非如此。实际世界中的电流镜电路具有影响电流传输过程的有限阻抗。此外，电路实现会产生导致频率限制的寄生电容。

应用电路

1、使用BJT的电流镜电路

双极结型晶体管广泛用于电流镜像，使用双极结型晶体管作为电流镜电路的第一个技巧是使用晶体管构建指数电压到电流转换器。这是通过在BJT的基极 - 发射极结上提供电压来完成的，并且集电极电流作为输出。

在这种电压到电流转换器配置中，晶体管上的简单负反馈将电压到电流转换器特性转换为相反的对数电流到电压转换器。通常情况下，负反馈是通过连接晶体管的基极和集电极来完成的，其电路图如下图所示：

在了解上面电路如何工作之前，必须了解晶体管的工作特性。在主动模式操作中，晶体管集电极电流可以通过将基极电流乘以β的比率来计算。发射极电流与集电极电流之比称为ɑ。这两者之间的关系可以用简单的数学公式来描述：

ɑ=β/(β+1)

因此，恒定的基极-发射极电压提供了恒定的发射极电流。这个恒定的发射极电流可以乘以恒定的ɑ比率进一步提供恒定的集电极电流。

所以在上图中，正向偏置二极管与基极-发射极结并联使用，为晶体管提供恒定电压。基极-发射极两端的电压是恒定的，取决于流过二极管的电流。但是，二极管电流可以由偏置电阻控制。如果通过增加偏置电阻值来减少通过二极管的电流，则二极管两端的电压降也会降低。由于基极-发射极结电压降低的影响，发射极电流也将按相同比例减小。需要注意的是，晶体管的ɑ和β是恒定的。

通过改变二极管电流，可以控制晶体管的发射极电流。同样地，晶体管的集电极电流也可以按相同的比例变化。通过这个规则，晶体管的发射极电流可以测量到晶体管的集电极。因此，偏置电阻可以控制晶体管的集电极电流。

另外，可以使用与其他对应物相同的晶体管轻松更改该二极管。在下图中，显示了两个晶体管，它们用于创建电流镜像电路。晶体管T1和T2需要是相同配对型号。此外，两个晶体管应彼此靠近放置，以实现相等的热传递。

如果仔细看电路可以发现，两个晶体管T1和T2的基极-发射极彼此并联，所以这两个晶体管具有相同的电流。因此，确定输出电流的最佳方法是将I_REF流动的节点电流相加。

根据基尔霍夫定律，T1集电极的电流为：I_REF=I_C+I_B1+I_B2。

因此，当两个晶体管在零基极-集电极偏置下工作时，基极电流相等，既有T1的基极电流 (I_B1) = T2的基极电流 (I_B2) = 节点的总基极电流 (I_B)。

将其代入到上面的公式，可以得到：

输出晶体管的有限输出电阻可以使用以下公式计算，根据R=V/I，则有：R_OUT=（V_A+V_CE）/I_C。

V_DG=0且电流镜行为仍然在最低输出电压下工作的顺从电压可以这样计算：V_CV=V_T ln ((I_C / I_S ) +1))。

其中V_T代表热电压，I_S是标度电流。

2、使用MOSFET的电流镜技术

电流镜电路可以使用两个MOSFET晶体管轻松实现，MOSFET电流镜电路的工作原理与前面晶体管部分中描述的类似，其原理图如下所示：

考虑上述使用MOSFET的电流镜电路，MOSFET晶体管M1处于饱和区，因为V_DS≤V_GS。对于MOSFET晶体管M2，只要输出电压大于饱和电压，它也将保持在饱和模式。因此，M1上的输入电流将直接控制M2的输出电流。

MOSFET器件的作用是这样的，漏极电流反映了栅源和漏栅电压的作用。因此，可以使用以下函数编写公式计算：

I_D = f (V_GS , V_DG )

因此，MOSFET M1中的输入电流镜像到漏极电流。在上图中，输入电流由偏置电阻器提供。如果MOSFET M1的漏极至栅极电压V_DG为0，则M1的漏极电流将为：

I_D= f (V_GS , V _DG=0)

因此，f (V _GS , 0) = I_IN，所以，I_IN可以设置为V_GS的值。相同的栅源电压也反映在M2上。因此，如果M2使用零偏置，V_DG和提供的晶体管M₁和M₂具有相同的特性和精确匹配，则有I_OUT=f (V _GS , V _DG =0)为真。

所以输出电流镜像为输入电流，I_OUT =I_IN。

漏源电压可以进一步引入为V_DS=V_DG+V_GS。通过这种转换，Shichman-Hodges模型可以提供 f(V _GS ,V _DG ) 的近似结果，该函数可以表示为：

此外，输出电阻也是可以计算，因为输出电阻是有限的，根据欧姆定律R=U/I公式，则有：

上式中，K_P为晶体管技术相关常数，W/L为宽度与长度之比，λ用于沟道长度的调制常数。V_GS、V_th和V_DS分别是栅源电压、阈值电压和漏源电压。

在V_DG=0且输出MOSFET电阻仍然很高的情况下，电流镜行为仍然在最低输出电压下工作，这个可以通过推导条件来计算顺从电压，公式如下：

当V_DG=0，V_CV=V_GS(I_D) ，或者是，当V_DG=0，f^-1(I _D )

主要应用

电流镜电路在集成电路制造领域有着广泛的应用。参考电流源是使用电流镜电路创建的，通过使用此技术，可以从单个源创建多个参考点。因此，改变一个参考点也会改变电路不同部分的电流源。