电流镜入门

1. 三极管伏安特性引入

这里以NPN管举例:


NPN型三极管

其伏安特性曲线如下:
(1)输入特性曲线:


image.png

(2)输出特性曲线:
image.png

1.1 工作区分析

有模电基础的同学都了解,三极管有三个工作区:饱和区、放大区、截止区

(1)截止区:把 IB≤0的区域称为截止区。此时发射结上所加的电压 UBE不足以克服发射结的死区电压,甚至发射结处于反向偏置状态( UBE<0,所以形成的 IC(或 IE)很小,仅有很小的穿透电流 ICBO简单来说,BE电压差不足,此时发射结没正偏。


(2)饱和区:简单来说,发射结和集电结均正偏。此时,UBE>0,三极管脱离截止区, IB>0,但是此时UCE < UBE,即集电极电压不够高导致集电结也正偏了。集电结的正偏不利于集电区吸引基区的少子(电子),那么 IC≠βIB,两者之间没有控制关系,集电极电流不随基极电流而变化,好像饱和了一般,所以将这一工作区称为“饱和区”。注意,此时的三极管是没有放大能力的!


从饱和区向放大区过度时,UCE将逐渐增大,随着PN结从正偏向反偏过度,集电区对基区少子(电子,也是发射极的多子)的吸引能力越来越强, IC将迅速增大,随后脱离饱和区进入放大区,并稳定在某值。


(3)放大区:简单来说,发射结正偏和集电结反偏,发射极的多子(电子)源源不断的流向了集电极。随着UCE 的电压增大,集电结反偏,此时 IC=βIB成立,IC与IB之间呈线性的放大关系,所以称为“放大区”。此时UCE继续增大并不会影响PN结的反偏,UCE失去了对IC的控制,IB的增大时IC会随之增大。因此有种说法称三极管为“电流控制的电流源(IB对IC的控制)”。

这里可以补充一句,相对应的,MOS管是一种电压控制的电流源(UGS对ID的控制)。

MOS管和三极管的类比:

MOS管 三极管
截止区VGS≤0 截止区IB≤0
线性区VGS>VTH 以及 VDS<VGS-VTH 饱和区VCE < VBE
饱和区VGS>VTH 以及 VDS>VGS-VTH,电压控制的电流源(UGS对ID的控制) 放大区VCE >VBE,电流控制的电流源(IB对IC的控制)

1.2 厄利效应(Early)

视频指路:https://www.bilibili.com/video/BV1oE41197VR?from=search&seid=8688819613439439886

理想与实际放大区的差别(该图截取自上附视频)

再来张更明显的,这是仙童半导体BC546系列三极管输出特性曲线图,放大区有很明显的厄利效应(该图截取自上附视频)

可以发现实际放大区电流曲线并非水平的,而是有一定的斜率,且将多条放大区电流线反向延长发现交于一点,这一点的电位称为厄利电压V_AF:


厄利电压V_AF(该图截取自上附视频)

修正值Δi(该图截取自上附视频)

这也是为什么三极管的集电极放大区命名有很大的工作范围,但是实际电路设计中只将其规范在很小的范围内,就是为了避免厄利效应的影响,从而使得电路工作的更加线性。

三极管如此,MOS管也如此,MOS管有类似的沟道长度调制效应(有时也把它叫做厄利效应)。所以为了电路设计更为线性,对于工作于放大区的三极管,需要规范其VCE的范围,对于工作于饱和区的MOS管,需要规范其VDS的范围。

1.3 电流镜

(1)三极管搭建的电流镜:

三极管搭建的电流镜(该图截取自上附视频)

三极管搭建的电流镜的四种类型(该图截取自上附视频)

浮:负载没有直接连接至地,浮于地;
地:负载有一端连接地,接于地;
纳:负载电流流向电流镜,吃进去了(NPN管);
吐:负载电流流出电流镜,吐出来了(PNP管)。
(2)三极管电流镜的伏安特性:
由于厄利效应的存在,随着负载电流的增大,在三极管仍工作于放大区期间,输出电流曲线并非水平的,而是有一定的斜率。
该图截取自上附视频

(3)威尔逊电流镜
视频指路:https://www.bilibili.com/video/BV1KE411Z7R7?from=search&seid=8688819613439439886
这是一种改进的电流镜。
该图截取自上附视频

为了尽量减小厄利效应的影响,就需要保证电流镜工作时,VCE不要有太大的变动,最好是在一个很小的范围内波动。

这种威尔逊电流镜的优点:
① 使得Q1的VCE稳定在1.4V,Q2的VCE稳定在0.7V,不论外界电路怎么变,两个三极管的VCE都很稳定,因此其放大倍数也很稳定,厄利效应的影响几乎消失了。因此输出电流几乎完全不再受到负载电阻的干扰。
② 输入输出电流比值更接近于1:

该图截取自上附视频

(4)进一步的发展:
① 比例电流镜:在输入输出回路上加电阻,使得输入输出比值不再≈1,而是呈现一定的放大、缩小的比例关系
② 微电流电流镜(uA级):在Q1或Q2的发射极加小电阻,使得输入电流达到微安级
③ 可以将三极管换成MOS管,也可以实现电流镜的功能:

地吐型,用到的是PMOS

栅漏级短接,两个PMOS工作于饱和区,理想状态下iD只受VGS的影响(忽略厄利效应),

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