镜像电流源

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1．基本镜像电流源 2.比例电流源 3.微电流源(Widlar电流源)
4. 威尔逊电流源
5.多路恒流源电路
常用的电流源电路
电流源电路是模拟集成电路中应用十分广泛的单元电路。

对电流源的主要要求是：
（1）能输出符合要求的直流电流；
（2）输出电阻尽可能大；
（3）温度稳定性好；
（4）受电源电压等因素的影响小。

1．基本镜像电流源
基本镜像电流源电路如图3—35（a）所示。

它由两个完全对称的NPN管(或PNP管)组成。

图中，称为基准电流，若管子特性一致，即
流过R上的电流I
R
则由图3—35(a)可知
若 ，则 ，I
O 犹如是I
R
的镜像，所以此电路称为镜像电流源或电流镜。

图3—35（a）所示电流源的伏安特性如图3—35（b）所示。

为了保证电流源具有恒流特性，T2管必须工作在放大区，即U
CE2
>U BE2≈0.7V(在图中A、B
两点之间)。

设T2工作在q点,电流源输出端对地之间的直流等效电阻R
DC
=U CE2/I C2,其值很小，而
动态电阻R
o
的值则很大。

可见，直流电阻小、动态电阻大是电流源的突出特点。

正是这一特点，使电流源得到广泛的应用。

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2.比例电流源
若在基本镜像电流源的T1、T2接入发射极电阻R
1和R
2
，如图3—36（a）所示，就构成了比例电流
源。

由图3—36(a)可见
（3—92）又因为
（3—93）所以式(3—92)可写成
（3—94）在I
C1
=(5~10)I C2范围内,一般满足
所以式(3—94)可近似为
(3—95)
显见，改变R
1与R
2
的比值，就可改变I与I
R
的比值，故这种电路称为比例电流源。

在集成电路中，实现比例电流源的方法可通过改 T1
、
、T2管的发射区面积比来实现，而无需另外
制作电阻R
1和R
2
，如图3—36（b）所示。

因为晶体管发射极电流与发射区面积成正比，即晶体管发射极电流可表示为
式中，W是基区宽度；N是基区杂质浓度；S
E 是发射区面积。

若T1
、
T2管的W、N相等，管子的β
足够大，则有
若取S
=2S E1(图中用双发射极表示)，则
E2
I
=2I R
o
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3.微电流源(Widlar电流源)
在集成电路中,为了提供微安量级的恒定偏流,常采用图3—37所示的微电流源电路.
显见, 将图3—36（a）中的电阻R
1
短路，便构成了微电流源。

由图可知
由式（3—93），并考虑到两管参数一致，即I
ES1
=I ES2,所以
上式可近似表示为
（3—96）上式是一个超越方程，可用图解法或试探法求解。

【例3—6】在图3—37 电路中，已知I
R =1mA,R2=5KΩ,基极电流可忽略不计，求I
o。

解:用试探法求解。

由式（3—96）得
26ln(1/I o)—5I o=0
设I
o
=15µA=0.015mA，代入上式
109.2—75≠0
说明对数项过大。

再试，设I
o
=20µA=0.02mA,得101.7—100=1.7mA
可见I
o =20µA，精确的结果是I
o
=20.27µA。

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4. 威尔逊电流源
为了提高电流源的传输精度，可采用图3—38所示的威尔逊电流源。

威尔逊电流源是利用负反馈原理构成的，因而具有良好的温度特性和很高的输出电阻。

假定由于温度或负载的变化使I O
=I
C3
加大，则I E3
也随之增加，它的镜像电流I C1
跟着增加，使U C1
=U B3
下降，I B3
减小，使I O
基本保持不变。

由图3—38，可列出晶体管T 1、T 2及T 3之间的电流关系：
若晶体管T1、T2及T3的特性一致，即 ，则由上述方程可解得
（3—97）
由上式可见，与基本电流源相比，威尔逊电流源中的I
C3更接近等于I
R
，即管子值的变化（包
括温度对的影响）对输出电流I
o (=I C3≈I
R
)的影响较小，即传输精度有明显地提高。

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5.多路恒流源电路
上述的基本电流源和比例电流源都可以连续成多路恒流源,多路恒流源是采用一个基准电流I
R
供给多个恒流输出，其电路如图3—39（a）所示。

在图3—39（a）中，若管子特性一致，则各路输出电流相等。

即
基准电流I
R
与各级输出电流的关系为
由于所有各管的基极电流均由基准电流I
R 提供,因此输出电流I
o
与基准电流I
R
的偏差为（n+1）I
B
,n
值越大，偏差越大。

为了使I
o 与I
R
尽量接近相等，可采用图3—39（b）所示电路。

电路中，采用
了晶体管T o作为缓冲级，此时基准电流I
R
与各级输出电流的关系为
可见，输出电流I
o 与基准电流I
R
的偏差值比图3—39（a）电路减小了 倍。

在集成电路中，多路恒流源可采用多个集电极晶体管来实现，如两路电流源可用图3—39（c）所示电路来实现。

可以推得，它的电路功能与图3—39（a）电路n=2时是一致的。

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