第11章：电流镜

11.1 基本原则

电流镜电路的实现看起来很简单，但有很多事情要做。电流镜的简单两个晶体管实现基于以下基本关系：在相同温度下，具有相同V GS （用于 MOS）或V BE （用于 BJT）的两个相同尺寸的晶体管具有相同的漏极或集电极电流。为了最好地理解这个重要的电路构建块以及它如何利用这种关系，我们需要将电路分解为输入和输出部分，并依次检查每个部分。

电流镜是一种电路块，其功能是通过复制输出端子中的电流来产生流入或流出输入端子的电流的副本。电流镜的一个重要特性是相对较高的输出电阻，无论负载条件如何，它都有助于保持输出电流恒定。电流镜的另一个特点是相对较低的输入电阻，无论驱动条件如何，这有助于保持输入电流恒定。被“复制”的电流可以并且经常是变化的信号电流。电流镜通常用于在放大器级中提供偏置电流和有源负载。

电流镜的理想块级概念如图 11.1 所示。给定一个电流源作为输入，电流镜的输入部分看起来像一个虚拟短路并反射（交换流动方向）这个电流以产生一个电流吸收器（离开镜的电流）；结果，我们得到了一个电流吸收器（图 11.1a）。相反，给定一个电流吸收器作为输入，电流镜反射该电流以控制电流源（图 11.1b）；结果，现在我们获得了一个电流源。我们可以通过第一个观察来概括这个基本的电流镜结构：电流镜由连接到高阻抗输出电流级的低阻抗输入级组成。

图 11.1，电流镜 (a) 汇 (b) 源

从概念上讲，理想电流镜只是一个增益为 -1 的理想电流放大器。在第 8 章中，我们探讨了晶体管，您应该记得 BJT 器件是某种电流放大器（电流控制电流源），其集电极电流是基极电流的 β 倍。直接使用此功能的问题在于，β 不是设备与设备之间控制良好的值，并且会随着温度的变化而变化。使用通常是电压放大器的传统晶体管放大器配置很难直接实现精确的电流放大器。例如，MOS晶体管通常被建模为电压控制电流源，不能直接用作电流放大器。在将电流作为信号进行处理时，最常使用反馈和两个终端元件（例如电阻器）的电流与电压关系。因为在电流镜中，输入和输出都是电流，所以先将输入转换为电压，然后在输出端将电压转换回电流会更容易。

应该注意的是，电流镜的这两个阶段可以像电阻器一样具有线性关系（例如，其中V OUT = I IN R 和 I OUT = V IN /R）。在图 11.1.1 中，我们看到了在第 4 章第 2 节中探讨的电流电压转换器的经典运算放大器实现。运算放大器负输入端的虚拟接地提供了非常低的输入电阻。这些电路使用电阻器 R1 中的电流与电阻器两端的电压之间的线性关系。然而，不一定需要这种线性关系。可以使用任何元素或元素的组合，例如V BE或V如果输出电压取自 M1 的栅极（运算放大器的输出），则为 (b) 中晶体管的GS。

图 11.1.1 线性电流电压转换器（来自第 4 章）

类似地，作为输出级，我们有图 1.1.2 中第 4 章第 1 节中电压电流转换器的运算放大器实现。在此，输入电压被强制通过电阻器 R1，从而使 R1 中产生的电流流过晶体管 M1。

图 11.1.2 线性电压电流转换器（来自第 4 章）

如果我们将图 11.1.1(b)中的 I 至V转换器的输出连接到V图 11.1.2 中的 I 转换器。当两个电阻相等时，I OUT将是 I IN的镜像。请注意，实际上不需要第二个运算放大器，因为两个 NMOS 晶体管的栅极可以直接相互连接，结果相同。请记住，两个相同尺寸的晶体管在相同温度下具有相同的V GS（或V BE对于 BJT）具有相同的漏极电流。这是对电流镜概念的重要简化。

转换器可能由具有任何 I 到V特性的非线性器件组成，这些特性可能包括另一个物理量（例如温度）；唯一的要求是特征互为倒数。例如，如果输入 I 到V级实现函数 v = f(i) 并且输出级实现反函数 i = f -1(v)，则总输入到输出传递函数为 v = f(i) = f(f -1(v)) 。我们可以进行第二个观察：电流镜由两个相互连接的阶段组成，它们的传递函数是相反的。

图 11.1.1 和 11.1.2 中的转换器电路相当复杂，需要多达两个运算放大器。一个更简单的实现会更好。

11.2 将电流转换为电压的输入级

我们想要一个简单的配置，其中有源元件（单个晶体管）用作所需的电流电压转换器。然而，晶体管是单向器件，对于 BJT，基极发射极电压控制集电极电流，或者对于 FET，栅极源极电压控制漏极电流。在将器件用作共发射极放大器的常规用途中，不可能在集电极电流控制V BE的情况下产生相反的结果。回到图 11.1.1，解决方案是加入负反馈。在这种情况下，这意味着使晶体管调整其基极发射极或栅极源极电压V BE或V GS，以便集电极或漏极电流为 I IN= ( V 1 - V BE )/R。为此，我们只需将集电极连接到基极或栅极以漏极或“二极管连接”晶体管。这种经典的“二极管”连接导致 100% 并联负反馈（图 11.2）。结果，对于这种二极管连接的晶体管，集电极电流用作输入量，而基极-发射极电压V BE用作输出量，具有基极发射极结的对数传递函数。类似地，二极管连接的增强型 MOS FET（栅极连接到漏极）将用作类似的电流电压转换器，输出量是V GS而不是V BE。

图 11.2，电流电压转换器

11.3 将电压转换为电流的输出级

双极晶体管可以由电压或电流驱动。如果我们将基极发射极电压V BE视为输入，将集电极电流 I C视为输出（图 11.3），我们可以将晶体管视为非线性电压-电流转换器，具有指数特征。基极可以由我们刚刚讨论的 I- V转换器的电压输出直接驱动。集电极提供我们简单电流镜的输出端：输出V简单电流镜的 I 转换器级只是一个晶体管，充当非线性（BJT 指数）电压到电流转换器。同样，如果 MOS 晶体管用于输入级，则输出级将是 MOS 晶体管，其栅极用作电压输入，而漏极用作电流输出。

图 11.3，电压到电流转换器

11.4 组装完整电路

最后一步是将输入级的输出（Q 1的基极发射结）连接到输出级的输入（Q 2的基极发射结），以构建基本的 BJT 电流镜电路（图 11.4）。在这一点上，我们将专注于 BJT 电流镜所涉及的问题，并在 11.6 节中讨论 MOS 电流镜。

图 11.4，BJT 电流镜

11.4.1 1 以外的镜像增益

如果图 11.4 中的晶体管 Q 1和 Q 2相同（即具有相同大小的发射极，因此等于 I S），则输入电流与输出电流之比或增益理想情况下为 1。通常情况下，增益不是 1必需的。当用分立器件构建电路时，只有简单的整数比是可能的，而在微电子集成电路中，可以制造具有任意发射极面积 A 的晶体管。然而，即使在集成电路中，最佳设计实践也是在制造电流时使用相同单位尺寸的晶体管镜子。

图 11.4.1，具有非一元增益比的电流镜

如果在反射镜的输入侧并联 N 个相同的器件，并在输出侧并联M 个器件，则反射镜的增益为M /N。在图 11.4.1 中，我们看到一个示例，其中 2 (N=2) 个设备在输入端连接在一起，3 个 ( M =3) 个设备在输出端连接在一起。因此，镜像增益将为 3/2 或 1.5。由于所有五个晶体管共享相同的V BE电压，因此它们的集电极电流 I C将全部相等。输入电流 I IN在 Q 1和 Q 2 中均分，使得：

I_C = I_IN/2 , I_OUT = 3I_C 或 (3/2)I_IN

11.5 简单镜像的缺陷

有三个主要误差源使简单的 2 晶体管镜像不太理想。首先是镜像增益。理想情况下， I OUT应该完全等于 I IN。有系统和随机因素使情况并非如此。第二个是增量输出电阻，它决定了输出电流随镜面输出电压的变化程度。第三个限制是维持所需输出电流所需的反射镜输出腿上的最小电压降。该最小电压称为输出顺从性，由将反射镜的输出晶体管保持在有源区域中的需要决定。反射镜还存在许多次要性能问题，例如温度稳定性和频率响应。

11.5.1 增益误差

这个简单的基于 BJT 的电流镜中的一个误差源是晶体管 Q 1和 Q 2（图 11.4）每个都从输入电流 I IN 中去除了基极电流 I B。因此，输出电流小于输入电流：

I_OUT = I_IN - 2I_B

正如已经讨论过的，电流镜可以很容易地由 MOS FET 晶体管制成。I-to- V和V -to -I 函数是不同的，但当然仍然是彼此的倒数。MOS 电流镜的一个显着优势是没有 BJT 电流镜所遭受的基极电流感应误差。有一些方法可以校正或补偿 BJT 电流镜中的基极电流，本章后面的部分将详细讨论这些方法。

11.5.2 顺从电压

有必要保持输出 (BJT) 晶体管不饱和，V CB = 0 V。或者换个角度，不允许集电极基极结正向偏置。这意味着在输出晶体管处于输出电流电平 I C和V CB = 0 V 的偏置条件下，产生正确输出电流（顺从电压）的最低输出电压为V OUT = V CV = V BE或，重述之前的V BE关系：

其中V T是热电压，IS是反向饱和电流。

11.5.3 输出电阻

镜子中Q 1 的V CB为零。如果V CB在输出晶体管Q是大于零2，Q中的集电极电流2将小于q稍大1由于早期效应。换句话说，反射镜具有由输出晶体管的 r O给出的有限输出电阻，即：

其中：
V A是早期电压
V CB是集电极到基极电压

正如我们在前一章中了解到的，包含发射极负反馈电阻器（图 11.5 中的R E1和 R E2）可以增加反射镜输出处的有效集电极阻抗。为了使镜像增益保持等于 1，R E1当然必须等于 R E2。发射极电阻 R E2 (I OUT x R E2 )两端的附加压降增加了最小允许输出电压（参见第 11.5.2 节）。

虽然电阻器也可以添加到基于 MOS 的镜像中的源极，但简单地增加晶体管的沟道长度 L 通常更有效。沟道越长，由于漏极电压增加，沟道长度调制的影响就越小。

图 11.5，发射极退化包括启动输出电阻。

重要的是要注意，包含发射极电阻器不会减少由 Q 1和 Q 2的有限贝塔引起的输出电流 I OUT的降低。可以通过包括正确值的电阻器 R B来插入补偿电压，如图 11.6 所示。

图 11.6，在 Q 1的基极添加一个电阻器倾向于补偿 Q 2的有限 beta

对于接近于零的V CB（即，忽略基宽调制误差），R B的必要值是：

例如，使用 A = 2（镜像增益为 2），I IN = 1mA，因此 r E = 26Ω 和 R E1 = 500Ω（引入约 500mV 的退化）如果 β 足够大于 A，则R B应为 1578Ω这个因素可以忽略不计，或者如果它包括在内并且β为100，则为1626Ω。显然，当β很小并且与A相当时，这种补偿方法变得不可预测，并且永远不会精确，因为β 1和β 2通常不相等。然而，该技术在许多情况下具有实际效用。

11.9. 零增益放大器

在设计电路时，重要的是要考虑某些器件值从一个到另一个的广泛变化。设计者的一个中心目标是降低电路对这些变化的敏感性，以生产出满足所有可能条件下规格的电路。几乎所有电路都通用的设计方面之一是建立稳定的偏置或工作点水平。设计中这个看似很小的部分可以提供最具挑战性和最有趣的电路问题。许多偏置发生器以电流的产生为中心，以操作电路的核心。由连接在电源两端的简单电阻器和二极管或二极管连接的晶体管产生的电流将与电源电压的变化大致成正比。

这是为了引入另一种电流镜，实际上是一个稳定的电流源，它的输出对输入电流的变化不敏感。要了解这种配置，检查零增益放大器的行为会很有帮助。NMOS 版本如图 11.14 所示，但 PMOS、NPN 或 PNP 晶体管在此配置中也能正常工作

图 11.14 NMOS 零增益放大器

回想之前对共发射极/源极放大器的解释（图 11.14(a)），增益是漏极（或集电极）电流和负载电阻的函数。对于给定的漏极电流，如果将漏极电阻 R L设置为等于 r s ，则增益 A 将为负 1。

或者。如果栅极保持固定在相同的直流偏置电平，产生与 (a) 中相同的漏极电流，并且输入信号施加到负载电阻器 R L的顶部（图 11.14(b)），则增益将为加1。也就是说，如果晶体管的漏极/源极输出阻抗被忽略。如果我们现在将栅极连接到电阻器 R L的顶部，如图 11.14© 所示，叠加两条路径的净增益将为 1 - 1 = 0。

在图 11.15 中，我们有一个 NPN 晶体管偏置导通，其集电极电压V C小于基极电压V BE热电压V T = kT/q，（等于 Ic 乘以 R L）并且基本上恒定从V IN施加的输入电压变化。图 11.14中绘制了V BE和V C处的电压与V IN处的施加电压的关系图。正如我们所见，当V BE继续上升时，V C保持稳定得多，实际上下降到V IN的某个水平以上。

图 11.15 NPN 零增益放大器

图 11.16 R1 = 10KΩ 和 R L =75Ω 时 V BE和V C与V IN的关系图

使用增强型 NMOS 2N7000 晶体管制作的零增益放大器进行了仿真，其中在扫描漏极电流时计算小信号 AC 增益和相位。从图 11.17 中可以看出，增益曲线在 345uA 附近有一个急剧的零点或下降。这也发生在相位从 0 度急剧转变到 180 度的点上。

图 11.17 零增益放大器的小信号增益/相位图 vs. I D

11.10 稳定电流源

现在我们了解了零增益放大器的概念，目的是研究它的用途，以产生对输入电流电平变化稳定（不太敏感）的输出电流。这种电流源配置（图 11.17）有时也称为峰值电流源或 g m补偿镜。由于晶体管 Q 1的集电极电压V C现在随着由V IN表示的输入电源电压的变化更加恒定，因此它可以用作 Q 2的基极电压以在晶体管 Q 2 中产生更加恒定的集电极电流.