背景知識

 

電流鏡是一種電路模塊

，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。簡單的兩晶體管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(de)晶(jing)體(ti)管(guan)具(ju)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)漏(lou)極(ji)或(huo)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。電(dian)流(liu)鏡(jing)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)特(te)性(xing)是(shi)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)
，因(yin)此(ci)無(wu)論(lun)在(zai)何(he)種(zhong)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)，輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)都(dou)可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)不(bu)變(bian)。電(dian)流(liu)鏡(jing)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)特(te)性(xing)是(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)
，因(yin)此(ci)無(wu)論(lun)在(zai)何(he)種(zhong)驅(qu)動(dong)條(tiao)件(jian)下(xia)，輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)都(dou)可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)不(bu)變(bian)。複(fu)製(zhi)的(de)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)而(er)且(qie)通(tong)常(chang)都(dou)是(shi)一(yi)個(ge)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)信(xin)號(hao)電(dian)流(liu)。電(dian)流(liu)鏡(jing)常(chang)用(yong)於(yu)在(zai)放(fang)大(da)級(ji)中(zhong)提(ti)供(gong)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)和(he)有(you)源(yuan)負(fu)載(zai)。

 

材料：

 

●  ADALM2000 主動學習模塊

●  無焊麵包板

●  跳線

●  兩個1 kΩ電阻（阻值盡可能接近，或者測量到三位數字或更精確）

●  兩個小信號NPN晶體管（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。二極管連接的晶體管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。

 

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。

 

圖2.備選的簡單電流鏡測試電路。

 

硬件設置

 

加載適用於信號發生器的W2通道的 stairstep.csv文件，將幅度設置為3 V峰峰值，偏置設置為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，請確保該器件已正確連接至電源Vp (5 V)和Vn (–5 V)。

 

圖3.電流鏡測試電路的麵包板連接（帶運算放大器）。

 

圖4.簡單的電流鏡測試電路的麵包板連接。

 

程序步驟

 

配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。如果您要使用運算放大器配置
，確保已開啟電源。

 

使用Scopy工具提供的示波器或通過 LTspice® 仿真繪製這兩個波形。下圖提供了示例。

 

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仿真的示例如圖6所示。

 

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
，通過添加基極電流補償晶體管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。

 

圖7.帶基極電流補償的電流鏡。

 

硬件設置

 

加載適用於信號發生器的W2通道的 stairstep.csv 文件，將幅度設置為3 V峰峰值，偏置設置為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晶體管的集電極。

 

圖8.帶基極電流補償的電流鏡的麵包板連接。

 

程序步驟

 

配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。打開正電源。

 

使用Scopy工具提供的示波器或通過LTspice仿真繪製這兩個波形。示例如圖9所示

 

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

，是一種改進的電流鏡電路配置
，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。

 

圖10.威爾遜電流鏡。

 

硬件設置

 

加載適用於信號發生器的W2通道的 stairstep.csv 文件
，將幅度設置為3 V峰峰值，偏置設置為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。

 

圖11.威爾遜電流鏡的麵包板連接。

 

程序步驟

 

配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。

 

使用Scopy工具提供的示波器或通過LTspice仿真繪製這兩個波形。Scopy波形圖示例如圖12所示。

 

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(suo)示(shi)

，將(jiang)簡(jian)單(dan)的(de)電(dian)流(liu)鏡(jing)更(geng)改(gai)為(wei)維(wei)德(de)拉(la)電(dian)流(liu)鏡(jing)。維(wei)德(de)拉(la)電(dian)流(liu)源(yuan)在(zai)基(ji)本(ben)的(de)雙(shuang)晶(jing)體(ti)管(guan)電(dian)流(liu)鏡(jing)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)做(zuo)了(le)改(gai)進(jin)
，包(bao)含(han)僅(jin)用(yong)於(yu)輸(shu)出(chu)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)發(fa)射(she)極(ji)負(fu)反(fan)饋(kui)電(dian)阻(zu)，使(shi)電(dian)流(liu)源(yuan)僅(jin)使(shi)用(yong)中(zhong)等(deng)電(dian)阻(zu)值(zhi)就(jiu)能(neng)產(chan)生(sheng)低(di)電(dian)流(liu)。維(wei)德(de)拉(la)電(dian)路(lu)可(ke)與(yu)雙(shuang)極(ji)性(xing)晶(jing)體(ti)管(guan)或(huo)MOS晶體管一起使用。

 

圖13.維德拉電流鏡。

 

硬件設置

 

加載適用於信號發生器的W2通道的 stairstep.csv 文件，將幅度設置為3 V峰峰值，偏置設置為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。

 

圖14.維德拉電流鏡的麵包板連接。

 

程序步驟

 

配置示波器以捕獲多個周期的輸入信號和輸出信號。

 

使用Scopy工具提供的示波器或通過LTspice仿真繪製這兩個波形。Scopy波形圖示例如圖15所示。

 

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？

 

您可以在學子專區博客上找到問題答案。

 

 

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