ADALM2000活动:BJT电流镜

目标:

本实验的目的是研究双极性结型晶体管(BJT)电流源或电流镜。电流源的重要特性包括:在宽顺从电压范围保持高输出阻抗、能抑制外部变化(如电源或温度)的影响。

背景知识

电流镜是一种电路模块,通过复制输出端子的电流来产生完全一样的流入/流出输入端子电流。简单的两晶体管电流镜主要是依靠两个大小相同,在相同温度下具有相同的VBE的晶体管具有相同的漏极或集电极电流来实现的。电流镜的一个重要特性是输出阻抗相对较高,因此无论在何种负载条件下,输出电流都可以保持恒定不变。电流镜的另一个特性是输入电阻相对较低,因此无论在何种驱动条件下,输入电流都可以保持恒定不变。复制的电流可以而且通常都是一个不断变化的信号电流。电流镜常用于在放大级中提供偏置电流和有源负载。

材料:

  • ADALM2000 主动学习模块
  • 无焊面包板
  • 跳线
  • 两个1 kΩ电阻(阻值尽可能接近,或者测量到三位数字或更精确)
  • 两个小信号NPN晶体管(2N3904或 SSM2212)
  • 一个双通道运算放大器(例如 ADTL082)
  • 两个4.7μF解耦电容

说明

可以重复使用共发射极BJT曲线量测仪实验中使用的基本配置来测量电流镜特性。输入电阻R1和输出电阻R2现在都是1 kΩ。一定要准确测量(尽可能使用更多的有效位数)R1和R2的实际值,以确保准确测量电流镜的输入和输出电流。 IIN 等于W1处的AWG2输出电压除以R1的值。 IOUT 等于Scope Channel 2测量的电压除以R2的值。二极管连接的晶体管Q1跨接在Q2的基极和发射极端子。

在电流镜配置中,运算放大器作为电流镜输入(基极)节点的虚拟地,将来自AWG2 (W2)的电压阶跃转化为通过1 kΩ电阻的电流阶跃。

Figure 1. Current mirror test circuit.
图1.电流镜测试电路。

如果您不想使用运算放大器配置,也可以使用图2所示的简化配置。

Figure 2. Alternate, simple current mirror test circuit.
图2.备选的简单电流镜测试电路。

硬件设置

加载适用于信号发生器的W2通道的 stairstep.csv文件,将幅度设置为3 V峰峰值,偏置设置为1.5 V。输出器件Q2的VCE由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kΩ电阻R2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自AWG 1(输出W1)、频率为40 Hz的三角波形进行扫描。如果您要使用运算放大器设置,请确保该器件已正确连接至电源Vp (5 V)和Vn (–5 V)。

Figure 3. Breadboard connection of current mirror test circuit (with op amp).
图3.电流镜测试电路的面包板连接(带运算放大器)。
Figure 4. Breadboard connection of simple current mirror test circuit.
图4.简单的电流镜测试电路的面包板连接。

程序步骤

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。如果您要使用运算放大器配置,确保已开启电源。

使用Scopy工具提供的示波器或通过 LTspice® 仿真绘制这两个波形。下图提供了示例。

Figure 5. Current mirror waveforms, W2 at 10 kHz frequency, as shown in a Scopy plot.
图5.如Scopy绘图所示,W2为10 kHz频率时的电流镜波形。

现在,将W1的频率更改为200 Hz,然后绘制两个波形。对相同电路使用LTspice仿真的示例如图6所示。

Figure 6. Current mirror waveforms, W1 at 200 Hz, W2 at 40 Hz, as shown in an LTspice plot.
图6.如LTspice绘图所示,W1为200 Hz、W2为40 Hz时的电流镜波形。

带基极电流补偿的电流镜

如图7所示,通过添加基极电流补偿晶体管Q3来修改简单的电流镜电路。使用发射极跟随器缓冲器替代将Q1的集电极连接至基极。对简单电流镜的这种改进被称为发射极跟随器增强镜。发射极跟随器缓冲级(Q2)的电流增益可以大幅降低由Q1和Q2的有限基极电流引起的增益误差。

Figure 7. Current mirror with base current compensation.
图7.带基极电流补偿的电流镜。

硬件设置

加载适用于信号发生器的W2通道的 stairstep.csv 文件,将幅度设置为3 V峰峰值,偏置设置为1.5 V。输出器件Q2的VCE由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kΩ电阻R2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自AWG1(输出W1)、频率为40 Hz的三角波形进行扫描。将正电源Vp (+5 V)连接至Q3晶体管的集电极。

Figure 8. Breadboard connection of a current mirror with base current compensation.
图8.带基极电流补偿的电流镜的面包板连接。

程序步骤

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。打开正电源。

使用Scopy工具提供的示波器或通过LTspice仿真绘制这两个波形。示例如图9所示

Figure 9. Current mirror waveforms, W2 at 10 kHz frequency, as shown in a Scopy plot.
图9.如Scopy绘图所示,W2为10 kHz频率时的电流镜波形。

威尔逊电流镜

威尔逊电流镜或威尔逊电流源以乔治·威尔逊的名字命名,是一种改进的电流镜电路配置,旨在提供更恒定的电流源或电流吸收器。它提供更准确的输入-输出电流增益。如图10所示,将简单的电流镜更改为威尔逊电流镜。

Figure 10. Wilson current mirror.
图10.威尔逊电流镜。

硬件设置

加载适用于信号发生器的W2通道的 stairstep.csv 文件,将幅度设置为3 V峰峰值,偏置设置为1.5 V。输出器件Q2的VCE由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kΩ电阻R2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自AWG1(输出W1)、频率为40 Hz的三角波形进行扫描。

Figure 11. Breadboard connection of Wilson current mirror.
图11.威尔逊电流镜的面包板连接。

程序步骤

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。

使用Scopy工具提供的示波器或通过LTspice仿真绘制这两个波形。Scopy波形图示例如图12所示。

Figure 12. Wilson current mirror waveforms, W2 at 10 kHz frequency, Scopy plot.
图12.如Scopy绘图所示,W2为10 kHz频率时的威尔逊电流镜波形。

维德拉电流镜

如图13所示,将简单的电流镜更改为维德拉电流镜。维德拉电流源在基本的双晶体管电流镜的基础上做了改进,包含仅用于输出晶体管的发射极负反馈电阻,使电流源仅使用中等电阻值就能产生低电流。维德拉电路可与双极性晶体管或MOS晶体管一起使用。

Figure 13. Widlar current mirror.
图13.维德拉电流镜。

硬件设置

加载适用于信号发生器的W2通道的 stairstep.csv 文件,将幅度设置为3 V峰峰值,偏置设置为1.5 V。输出器件Q2的VCE由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kΩ电阻R2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自AWG1(输出W1)、频率为40 Hz的三角波形进行扫描。

Figure 14. Breadboard connection of Widlar current mirror.
图14.维德拉电流镜的面包板连接。

程序步骤

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。

使用Scopy工具提供的示波器或通过LTspice仿真绘制这两个波形。Scopy波形图示例如图15所示。

Figure 15. Widlar current mirror waveforms, W2 at 10 kHz frequency, Scopy plot.
图15.如Scopy绘图所示,W2为10 kHz频率时的维德拉电流镜波形。

问题:

  • ►您能说出带基极电流补偿的电流镜电路的一个优点和一个缺点吗?
  • ►您能说出威尔逊电流镜的一个优点和一个缺点吗?

您可以在学子专区博客上找到问题答案。

作者

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作,最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献,AD783就是其中一款。自2009年起,他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员,最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人,从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师,从事ADI教学项目工作,同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。