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电流镜是机器

第四章-双极结型晶体管

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双极连接晶体管或BJT电流镜

通常使用的电路应用双极结晶体管是所谓的当前镜子,它用作简单的电流调节器,将几乎恒定的电流提供给广泛的负载上的负载抵制

我们知道在晶体管中运行主动模式,集电极电流等于基电流乘以比率β。我们还知道集电极电流和发射极电流之间的比率称为α。因为收集器电流等于基电流乘以β,所以发射极电流是基础和收集器电流的总和,α应该是从β数学上衍生的。如果您进行代数,您会发现任何晶体管的α=β/(β+ 1)。

我们已经看到了根据β比率,通过有源晶体管维持恒定基极电流的恒定基极电流导致收集电流的调节。嗯,α比类似:如果发射极电流保持恒定,则集电极电流将保持在稳定的,调节值,只要晶体管具有足够的集电极到发射极电压下降以使其处于活跃模式。因此,如果我们具有通过晶体管保持发射极电流常数的方法,则晶体管将工作以在恒定值下调节集电极电流。

记住,BJT的基极-发射极结就是一个PN结,就像一个二极管,“二极管方程”规定了有多少电流通过PN结,给定正向压降和结温:

二极管方程式公式

如果结电压和温度都保持恒定,则PN结电流将是恒定的。根据这一原理,如果我们保持晶体管的基极-发射极电压恒定,那么在给定恒定温度下,晶体管的发射极电流也将恒定。考虑下面的示例图

常数VBE给出常数IB,常数IE和常数IC。

常数VBE给出常数IB,常数IE和常数IC。

这种恒定的发射极电流乘以常数α比,通过r提供恒定的收集器电流加载如果有足够的电池电压可用于将晶体管保持其活动模式,以便r的任何变化加载的阻力。

为了保持晶体管的基极发射器结两端的恒定电压使用正向偏置二极管建立大约0.7伏的恒定电压,并与下图中的基极发射器结并联连接。

二极管结0.7V保持恒定的基极电压和恒定基极电流。

二极管结0.7V保持恒定的基极电压和恒定基极电流。

二极管上的压降可能不完全是0.7伏特。通过它的正向压降的确切量取决于通过二极管的电流和二极管的温度,所有这些都符合二极管方程。如果二极管电流增加(例如通过减小R的电阻)偏见),当二极管的PN结和晶体管的基极-发射极结匹配良好时,其压降将略微增加,增加晶体管的基极-发射极结的压降,这将以同样比例增加发射极电流。换句话说,晶体管发射极电流在任何给定的时间都将接近于二极管电流。如果你通过改变R的阻值来改变二极管的电流偏见,晶体管的发射极电流也会随之变化,因为发射极电流与二极管的方程相同,而且两个PN结的压降相同。

记住,晶体管的集电极电流几乎等于其发射极电流,因为典型晶体管的α比几乎是单位(1)。如果我们通过将二极管电流设定具有简单的电阻调节的二极管电流来控制晶体管的发射极电流,则我们同样可以控制晶体管的集电极电流。换句话说,收集器电流模仿,或镜子,二极管电流。

过电流电阻R加载因此,由偏置电阻器设定的电流的函数,两个几乎相等。这是电流镜电路的功能:通过方便地调节R的值来调节通过负载电阻的电流偏见。通过二极管的电流由简单的等式描述:电源电压减去二极管电压(几乎恒定值),除以R的电阻偏见

为了更好地匹配两个PN结(二极管结和晶体管基极-发射极结)的特性,可以使用晶体管来代替普通的二极管,如下图(a)所示。

电流镜电路。

电流镜电路。

因为温度是“二极管方程式”中的一个因素,而我们想要两个PN结在所有的工作条件下表现相同,我们应该保持两个晶体管在完全相同的温度下。通过将两个晶体管外壳粘在一起,使用离散元件很容易做到这一点。如果晶体管是一起制造在一个单一的硅芯片(所谓的集成电路, 或者集成电路)时,设计者应将两个晶体管放置在一起,以促进它们之间的热传递。

在上面(a)上图中有两个NPN晶体管的电流镜电路有时被称为a电流下沉型由于调节晶体管从负载绘制到地面(“下沉”电流),而不是强迫它从电池的正侧流到负载(“采购”电流)。如果我们希望有一个接地的负荷,而且目前的采购镜像电路,我们可以使用如上(b)所示的PNP晶体管。

虽然可以在IC中制造电阻,但更容易制造晶体管。IC设计人员通过用电流源代替负载电阻来避免一些电阻。像由离散元件构建的运算放大器一样的电路将具有几个晶体管和许多电阻器。集成电路版本将有许多晶体管和一些电阻器。在下图下,一个电压参考,Q1驱动多个电流源:Q2,Q3和Q4。如果Q2和Q3是相等区域晶体管的负载电流I加载将是平等的。如果我们需要2·我加载,平行Q2和Q3。更好的方法是制造一个晶体管,比如面积是Q2的两倍的Q3。电流I3是I2的两倍。换句话说,负载电流随晶体管面积的变化而变化。

可以从单个(Q1-RBIAS)电压源开始多电流镜。

可以从单个(Q1-RBIAS)电压源开始多电流镜。

请注意,它习惯于将基极电压线右侧绘制通过晶体管符号,用于多个电流镜子!或者在上面的图中的Q4的情况下,两个电流源与单个晶体管符号相关联。载荷电阻几乎不可见,以强调在大多数情况下这些不存在。负载通常是另一个(多个)晶体管电路,例如差分放大器的一对发射器,例如Q3和Q4在“简单的运算放大器”中,CH 8.。通常,晶体管的集电极负载不是电阻器而是电流反射镜。例如,Q4收集器的收集器负载,CH 8.为当前镜像(Q2)。

一个带有多个集电极的电流镜像的例子,输出见741型运放的Q13,CH 8.。Q13电流镜输出代替电阻作为Q15和Q17的集电极负载。我们从这些例子中可以看出,在集成电路中,电流镜作为负载而不是电阻是首选的。

点评:

  • 一个当前镜子是一个通过负载电阻调节电流的晶体管电路,调节点是通过一个简单的电阻调节来设定的。
  • 电流镜电路中的晶体管必须保持在相同的温度以精确操作。使用离散晶体管时,您可以将其案例粘合在一起以执行此操作。
  • 电流反射电路有两种基本类型:电流反射电路沉没配置,调节晶体管将负载连接到地;和当前采购配置,调节晶体管将负载连接到直流电源的正端子。

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