BJT電流鏡

發(fā)布時(shí)間:2020-10-15 17:27    發(fā)布者:eechina
關(guān)鍵詞: BJT , 電流鏡 , 結型晶體管 , 電流源
BJT Current Mirror

作者:Doug Mercer,ADI 顧問(wèn)研究員;Antoniu Miclaus,ADI 系統應用工程師

本實(shí)驗的目的是研究雙極性結型晶體管(BJT)電流源或電流鏡。電流源的重要特性包括:在寬順從電壓范圍保持高輸出阻抗、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塊,通過(guò)復制輸出端子的電流來(lái)產(chǎn)生完全一樣的流入/流出輸入端子電流。簡(jiǎn)單的兩晶體管電流鏡主要是依靠?jì)蓚(gè)大小相同,在相同溫度下具有相同的VBE的晶體管具有相同的漏極或集電極電流來(lái)實(shí)現的。電流鏡的一個(gè)重要特性是輸出阻抗相對較高,因此無(wú)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(gè)特性是輸入電阻相對較低,因此無(wú)論在何種驅動(dòng)條件下,輸入電流都可以保持恒定不變。復制的電流可以而且通常都是一個(gè)不斷變化的信號電流。電流鏡常用于在放大級中提供偏置電流和有源負載。

材料:
►        ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊
►        無(wú)焊面包板
►        跳線(xiàn)
►        兩個(gè)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(gè)小信號NPN晶體管(2N3904或SSM2212)
►        一個(gè)雙通道運算放大器(例如ADTL082)
►        兩個(gè)4.7μF解耦電容

說(shuō)明

可以重復使用共發(fā)射極BJT曲線(xiàn)量測儀實(shí)驗中使用的基本配置來(lái)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(shí)際值,以確保準確測量電流鏡的輸入和輸出電流。IIN等于W1處的AWG2輸出電壓除以R1的值。IOUT等于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(fā)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(diǎn)的虛擬地,將來(lái)自AWG2 (W2)的電壓階躍轉化為通過(guò)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(jiǎn)化配置。


圖2.備選的簡(jiǎn)單電流鏡測試電路。


圖3.電流鏡測試電路的面包板連接(帶運算放大器)。


圖4.簡(jiǎn)單的電流鏡測試電路的面包板連接。

硬件設置

加載適用于信號發(fā)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(jìn)行差分測量。電流鏡輸出電流通過(guò)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(lái)自AWG 1(輸出W1)、頻率為40 Hz的三角波形進(jìn)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)。

程序步驟

配置示波器以捕獲多個(gè)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(kāi)啟電源。

使用Scopy工具提供的示波器或通過(guò)LTspice®仿真繪制這兩個(gè)波形。下圖提供了示例。


圖5.如Scopy繪圖所示,W2為10 kHz頻率時(shí)的電流鏡波形。

現在,將W1的頻率更改為200 Hz,然后繪制兩個(gè)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(shí)的電流鏡波形。

帶基極電流補償的電流鏡

如圖7所示,通過(guò)添加基極電流補償晶體管Q3來(lái)修改簡(jiǎn)單的電流鏡電路。使用發(fā)射極跟隨器緩沖器替代將Q1的集電極連接至基極。對簡(jiǎn)單電流鏡的這種改進(jìn)被稱(chēng)為發(fā)射極跟隨器增強鏡。發(fā)射極跟隨器緩沖級(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

加載適用于信號發(fā)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(jìn)行差分測量。電流鏡輸出電流通過(guò)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(lái)自AWG1(輸出W1)、頻率為40 Hz的三角波形進(jìn)行掃描。將正電源Vp (+5 V)連接至Q3晶體管的集電極。

程序步驟

配置示波器以捕獲多個(gè)周期的輸入信號和輸出信號。打開(kāi)正電源。

使用Scopy工具提供的示波器或通過(guò)LTspice仿真繪制這兩個(gè)波形。示例如圖9所示


圖9.如Scopy繪圖所示,W2為10 kHz頻率時(shí)的電流鏡波形。


圖8.帶基極電流補償的電流鏡的面包板連接。

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(jìn)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(jiǎn)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

加載適用于信號發(fā)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(jìn)行差分測量。電流鏡輸出電流通過(guò)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(lái)自AWG1(輸出W1)、頻率為40 Hz的三角波形進(jìn)行掃描。

程序步驟

配置示波器以捕獲多個(gè)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(guò)LTspice仿真繪制這兩個(gè)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(shí)的威爾遜電流鏡波形。


圖11.威爾遜電流鏡的面包板連接。

維德拉電流鏡

如圖13所示,將簡(jiǎn)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晶體管電流鏡的基礎上做了改進(jìn),包含僅用于輸出晶體管的發(fā)射極負反饋電阻,使電流源僅使用中等電阻值就能產(chǎn)生低電流。維德拉電路可與雙極性晶體管或MOS晶體管一起使用。


圖13.維德拉電流鏡。


圖14.維德拉電流鏡的面包板連接。

硬件設置

加載適用于信號發(fā)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(jìn)行差分測量。電流鏡輸出電流通過(guò)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(lái)自AWG1(輸出W1)、頻率為40 Hz的三角波形進(jìn)行掃描。

程序步驟

配置示波器以捕獲多個(gè)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(guò)LTspice仿真繪制這兩個(gè)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(shí)的維德拉電流鏡波形。

問(wèn)題:
►        您能說(shuō)出帶基極電流補償的電流鏡電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)和一個(gè)缺點(diǎn)嗎?
►        您能說(shuō)出威爾遜電流鏡的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)和一個(gè)缺點(diǎn)嗎?

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