學子專區— 實驗：BJT電流鏡

作者: 顧問研究員Doug Mercer，系統應用工程師Antoniu Miclaus

目標：

本實驗的目的，是研究雙極性結型電晶體(BJT)電流源或電流鏡。電流源的重要特性包括：在寬順從電壓範圍保持高輸出阻抗、能抑制外部變化（如電源或溫度）的影響。

背景知識

電流鏡是一種電路模組，通過複製輸出端子的電流來產生完全一樣的流入/流出輸入端子電流。簡單的兩電晶體電流鏡主要是依靠兩個大小相同，在相同溫度下具有相同的VBE的電晶體具有相同的漏極或集電極電流來實現的。電流鏡的一個重要特性，是輸出阻抗相對較高，因此無論在何種負載條件下，輸出電流都可以保持恒定不變。電流鏡的另一個特性是輸入電阻相對較低，因此無論在何種驅動條件下，輸入電流都可以保持恒定不變。複製的電流可以而且通常都是一個不斷變化的訊號電流。電流鏡常用於在放大級中提供偏置電流和主動負載。

材料：

  • ADALM2000 主動學習模組
  • 無焊麵包板
  • 跳線
  • 兩個1 kΩ電阻（阻值盡可能接近，或者測量到三位元數字或更精確）
  • 兩個小訊號NPN電晶體（2N3904或SSM2212）
  • 一個雙通道運算放大器（例如ADTL082）
  • 兩個4.7μF解耦電容

說明

可以重複使用共發射極BJT曲線量測儀實驗中使用的基本配置來測量電流鏡特性。輸入電阻R1和輸出電阻R2現在都是1 kΩ。一定要準確測量（盡可能使用更多的有效位數）R1和R2的實際值，以確保準確測量電流鏡的輸入和輸出電流。IIN等於W1處的AWG2輸出電壓除以R1的值。IOUT等於Scope Channel 2測量的電壓除以R2的值。二極體連接的電晶體Q1跨接在Q2的基極和發射極端子。

在電流鏡配置中，運算放大器作為電流鏡輸入（基極）節點的虛擬地，將來自AWG2 (W2)的電壓階躍轉化為通過1 kΩ電阻的電流階躍。

Figure 1. Current mirror test circuit.
圖1.電流鏡測試電路。

如果您不想使用運算放大器配置，也可以使用圖2所示的簡化配置。

Figure 2. Alternate, simple current mirror test circuit.
圖2.備選的簡單電流鏡測試電路。

硬體設定

載入適用於訊號產生器的W2通道的 stairstep.csv 檔，將幅度設定為3 V峰對峰值，偏置設定為1.5 V。輸出元件Q2的VCE由示波器輸入1+和1-進行差分測量。電流鏡輸出電流透過1 kΩ電阻R2兩端的示波器輸入2+和2–測量。集電極電壓使用來自AWG 1（輸出W1）、頻率為40 Hz的三角波形進行掃描。如果您要使用運算放大器設置，請確保該元件已正確連接至電源Vp (5 V)和Vn (–5 V)。

Figure 3. Breadboard connection of current mirror test circuit (with op amp).
圖3.電流鏡測試電路的麵包板連接（帶運算放大器）。
Figure 4. Breadboard connection of simple current mirror test circuit.
圖4.簡單的電流鏡測試電路的麵包板連接。

程式步驟

配置示波器以捕獲多個週期的輸入訊號和輸出訊號。如果您要使用運算放大器配置，請確保已經開啟電源。

使用Scopy工具提供的示波器或透過LTspice®模擬繪製這兩個波形。下圖提供了示例。

Figure 5. Current mirror waveforms, W2 at 10 kHz frequency, as shown in a Scopy plot.
圖5.如Scopy繪圖所示，W2為10 kHz頻率時的電流鏡波形。

現在，將W1的頻率更改為200 Hz，然後繪製兩個波形。對相同電路使用LTspice模擬的示例如圖6所示。

Figure 6. Current mirror waveforms, W1 at 200 Hz, W2 at 40 Hz, as shown in an LTspice plot.
圖6.如LTspice繪圖所示，W1為200 Hz、W2為40 Hz時的電流鏡波形。

帶基極電流補償的電流鏡

如圖7所示，透過添加基極電流補償電晶體Q3來修改簡單的電流鏡電路。使用發射極跟隨器緩衝器替代將Q1的集電極連接至基極。對簡單電流鏡的這種改進被稱為發射極跟隨器增強鏡。發射極跟隨器緩衝級(Q2)的電流增益可以大幅降低由Q1和Q2的有限基極電流引起的增益誤差。

Figure 7. Current mirror with base current compensation.
圖7.帶基極電流補償的電流鏡。

硬體設定

載入適用於訊號產生器的W2通道的stairstep.csv檔，將幅度設定為3 V峰對峰值，偏置設定為1.5 V。輸出器件Q2的VCE由示波器輸入1+和1-進行差分測量。電流鏡輸出電流通過1 kΩ電阻R2兩端的示波器輸入2+和2–測量。集電極電壓使用來自AWG1（輸出W1）、頻率為40 Hz的三角波形進行掃描。將正電源Vp (+5 V)連接至Q3電晶體的集電極。

Figure 8. Breadboard connection of a current mirror with base current compensation.
圖8.帶基極電流補償的電流鏡的麵包板連接。

程式步驟

配置示波器以捕獲多個週期的輸入訊號和輸出訊號。打開正電源。

使用Scopy工具提供的示波器或透過LTspice模擬繪製這兩個波形。示例如圖9所示

Figure 9. Current mirror waveforms, W2 at 10 kHz frequency, as shown in a Scopy plot.
圖9.如Scopy繪圖所示，W2為10 kHz頻率時的電流鏡波形。

威爾遜電流鏡

威爾遜電流鏡或威爾遜電流源以喬治·威爾遜的名字命名，是一種改良的電流鏡電路配置，旨在提供更恒定的電流源或電流吸收器。它提供更準確的輸入-輸出電流增益。如圖10所示，將簡單的電流鏡更改為威爾遜電流鏡。

Figure 10. Wilson current mirror.
圖10.威爾遜電流鏡。

硬體設定

載入適用於訊號產生器的W2通道的 stairstep.csv 檔，將幅度設置為3 V峰對峰值，偏置設定為1.5 V。輸出元件Q2的VCE由示波器輸入1+和1-進行差分測量。電流鏡輸出電流通過1 kΩ電阻R2兩端的示波器輸入2+和2–測量。集電極電壓使用來自AWG1（輸出W1）、頻率為40 Hz的三角波形進行掃描。

Figure 11. Breadboard connection of Wilson current mirror.
圖11.威爾遜電流鏡的麵包板連接。

程式步驟

配置示波器以捕獲多個週期的輸入訊號和輸出訊號。

使用Scopy工具提供的示波器或透過LTspice模擬繪製這兩個波形。Scopy波形圖示例如圖12所示。

Figure 12. Wilson current mirror waveforms, W2 at 10 kHz frequency, Scopy plot.
圖12.如Scopy繪圖所示，W2為10 kHz頻率時的威爾遜電流鏡波形。

維德拉電流鏡

如圖13所示，將簡單的電流鏡更改為維德拉電流鏡。維德拉電流源在基本的雙電晶體電流鏡的基礎上做了改良，包含僅用於輸出電晶體的發射極負反饋電阻，使電流源僅使用中等電阻值就能產生低電流。維德拉電路可與雙極性電晶體或MOS電晶體一起使用。

Figure 13. Widlar current mirror.
圖13.維德拉電流鏡。

硬體設定

載入適用於訊號發生器的W2通道的 stairstep.csv檔，將幅度設定為3 V峰對峰值，偏置設定為1.5 V。輸出器件Q2的VCE由示波器輸入1+和1-進行差分測量。電流鏡輸出電流透過1 kΩ電阻R2兩端的示波器輸入2+和2–測量。集電極電壓使用來自AWG1（輸出W1）、頻率為40 Hz的三角波形進行掃描。

Figure 14. Breadboard connection of Widlar current mirror.
圖14.維德拉電流鏡的麵包板連接。

程式步驟

配置示波器以捕獲多個週期的輸入訊號和輸出訊號。

使用Scopy工具提供的示波器或透過LTspice模擬繪製這兩個波形。Scopy波形圖示例如圖15所示。

Figure 15. Widlar current mirror waveforms, W2 at 10 kHz frequency, Scopy plot.
圖15.如Scopy繪圖所示，W2為10 kHz頻率時的維德拉電流鏡波形。

問題：

  • 您能說出帶基極電流補償的電流鏡電路的一個優點和一個缺點嗎？
  • 您能說出威爾遜電流鏡的一個優點和一個缺點嗎？