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电流镜 ( Current Mirror)

电流镜 ( Current Mirror)

 

双晶体管电路

所有模拟电路都是通过使用数量非常有限的基本结构模块来构建的, 因此,对这些简单模块的透彻了解对于深入了解更复杂的电路原理至关重要, 这就是为什么将它们分别考虑并进行详细分析的原因。 我们已经对单晶体管电路有了全面的了解, 接下来我们将专注于电流镜和差分对的探讨, 这些构成了所有模拟设计的基石。

基本的双晶体管配置, 第一个是电流镜,其后是差分对。 大部分模拟电路都可以通过这两个基本电路而构成。

图 1    双晶体管电路- 电流镜和差分对

 

1,  电流镜的的概念

电流镜实际上是二极管连接的晶体管和单晶体管放大器组合, 第一个晶体管将输入电流转换为电压,而第二个晶体管将电压转换为电流。

电流镜的电流比非常准确,这是因为二极管连接的场效应管的非线性被放大的场效应管的非线性所补偿。 如果它们的宽长W / L之比为B,则电流比率也为B。实际上,这些场效应管具有相同的VGS,因此具有相同的VGS-VT。 该比率是电流增益。

电流镜的输入由二极管连接的晶体管组成。

在双极晶体管中将集电极连接到基极,可以得到一个真正的基极-发射极二极管。 在场效应管中,没有栅源二极管, 但是,将漏极连接到栅极为我们提供了类似的结构。 实际上,电流-电压特性是通过移动曲线,分离线性区域和饱和区域来获得; 饱和区域在VT 向右的VDS = VGS-VT 处。 因此,我们可以在饱和状态下使用场效应管的电流-电压特性。 但是,生成的曲线是完全非线性的,它有点像二极管的特性。 我们将使用这个简单的电路将电流转换为电压。

图 2    二极管连接的晶体管

 

在二极管连接的场效应管上增加一个单晶体管放大器,会产生一个电流镜。 放大器补偿二极管的非线性,以提供理想的线性电流比B。 该电路被用于偏置和宽带电流放大。

 

2,电流镜的非理想效应及改进

现实中,电流比不是那么精确。

3, 低压电流镜

5,双极晶体管构成的电流镜

所有场效应管电流源都可以用双极晶体管来复制。 从历史上看,双极型电路首先被开发,而场效应管电路是双极型电路的复制品。

图 8    双极晶体管构成的电流镜

 

上图中,第一个结构是非常传统的电流镜,第二个使用串联电阻将电流比设置为电阻比,而不是晶体管的比, 使电流比更容易准确设置。 在场效应管电流镜中,无需增加串联电阻,因为增加VGS-VT 值具有相同的效果。 此外,使用串联电阻会增加输出电阻。第三个电路不是电流镜,而是电流基准。 实际上,至少如果我们在使用顶部另一个电流镜来确保 iout =iin 的情况下,省去其中一个电阻,并使M2的系数B 大于M1,即可提供与输入电流无关的输出电流。 这些在后面的电压基准 ( Bandgap) 电路中会用到;

 

6, 改进型双极晶体管电流镜

双极晶体管会遇到另一个问题:它们承载基极电流 iB, 这些基极电流都从输入电流源中减去, 因此,输出电流和输入电流之间的误差约为2 /β。 我们假设电阻R 足够大。 添加另一个晶体管M3可以减少另一个β 的误差。 即使对于较小的 β 值,也可以减小此误差。 这样,该电阻的作用就更加清楚了。 它增加了晶体管M3 中的电流。 这将在一定程度上增加其β。 实际上,在某些早期的双极技术中,对于较小的集电极电流β会迅速下降。 但是,在BiCMOS 技术中,处理要干净得多。 β 在低电流时几乎不会下降,因此可以省去该电阻。

在BiCMOS技术中,晶体管M3可以使用场效应管。 它的栅极电流为零,因此电流误差也为零。 但是,我们必须小心M1,M3反馈回路。 如果我们用较小的场效应管代替,使电容CBE3减小太多,我们可能会发现电流传递函数出现峰值,这是因为极点之间的距离太近了, 以CBE3作为变量的电流增益的零极点位置图是研究此现象的最佳方法。

图 9    改进型双极晶体管电流镜

 

可以使用与以前相同的技术来使电流差为零。添加了两个晶体管M3和M4,其首要目的是使跨过电流镜器件M1和M2 两端的电压vCE 尽可能相等。我们又有两个选择:

下图中左边的是一个无源电路,因为它由一个分压器组成,该分压器利用两个二极管连接的晶体管M1和M3 连接到共射共基放大器 M2和M4上。 晶体管M4和M2 具有与M2和M1 相同的W / L比,即B。晶体管M3和M4一定具有相同的VBE,因为它们的电流具有相同的比B。结果,电压vTCE1和vTCE2也一定相同。因此,电流比将非常准确。

右侧的电流镜也是如此,但是它是一个有源电路。它是具有环路增益T 的反馈放大器,会出现多个极点,导致电流传输特性达到峰值。

两个电流镜的一个主要缺点同样是它们的最小输出电压(顺从电压)很高,因此,它们不能在低压应用中使用。

 

图 10    改进型双极晶体管电流镜2

 

7,电流镜的高频性能

8,米勒效应

Posted in CMOS模拟集成电路

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