[科普中国]-电流镜

实际的电路中有许多电流源，通常应用器件的匹配的方法，仅用一个“基准电流源’’作为输入，为多个电流源提供偏置电压，或者说直接提供多个恒定电流。这些匹配器件组成的结构，称为电流镜，它是恒流源电路的一种特殊情形。它的受控电流与输入参考电流相等，即输入输出电流传输比等于1。其特点是输出电流是对输入电流按一定比例的“复制”。1

概念简介电流镜是模拟集成电路中普遍存在的一种标准部件，它也出现在一些数字电路中。在传统的电压模式运算放大器设计中，电流镜用来产生偏置电流和作为有源负载。在新型电流模式模拟集成电路设计中，电流镜除了用来产生偏置电流外，还被广泛用来实现电流信号的复制或倍乘，极性互补的电流镜还可以实现差动一单端电流信号的变换。电流镜不仅是设计集成电路的基本单元电路，而且它本身就是一种典型的电流模式电路，在一些电流模式系统（例如高频连续时间滤波器、人工神经网络）中得到直接应用。2

电流镜是电流控制电流源，下图是其示意图。其中IR是由外部给定的基准电流，而Io是它的镜输出电流，n可以大于1、小于1或等于1。电流镜可以有多路输出电流。人们对电流镜所关心的问题是其输出电阻、Io对IR的跟随精度以及它对电源电压和温度的灵敏性等。3

静态电流镜电流镜符号简单电流镜是一种三端器件，下图所示是它的示意图。图中的N1是输入节点，它是能接受一种极性电流I1的输入端；N2是输出节点，它是能提供输出电流I2的输出端，I2是I1的复制（拷贝），即I2与I1流向相同，数值相等，也可以说I2跟随I1；N0是公共节点，这个节点中的电流是I1与I2之和。

实用电流镜应该具有下列三点基本性能。

①输出支路的电流I2应基本与节点N2的电压V2无关，V2允许被偏置到与公共节点N0相差几百毫伏到几伏的任何电位，即N2节点的增量输出电阻或称交流小信号输出电阻r0（更通用应为交流输出阻抗Zo）应该很高，理想时为无穷大。

②输入节点N1的直流电压V1应当很小，通常比公共节点N0相差几百毫伏，而且电压V1基本上与输入电流I1的增量变化无关，即小信号交流输人电阻ri（更通用为交流输人阻抗Zi）应相当低，理想时为零。

③电流传输比M=I2/I1应该尽可能接近于1，而且在很多十倍程变化范围内与电流的幅值无关，即理想电流镜是线性元件。在信号传输通路的应用中，理想电流镜电流传输比M的幅频响应和相频响应应该与信号的频率无关。下图所示是电流镜常见的代表符号，其中图（a）是正极性电流镜，图（b）是负极性电流镜。

在实用电流镜中，输人电流I1通常叫作基准电流，用IR表示；输出电流用Io表示。正极性电流镜用NPN双极型管或N沟MOS管组成，由正极性电源VCC供电，IR和Io分别流人节点N1、N2；负极性电流镜用PNP或P沟MOS管组成，由负极性电源VCC供电，IR、Io分别自节点N1、N2流出。

双极型基本电流镜下图是由两个NPN晶体管组成的双极型基本电流镜。T1是输入管，它的B、C极短接作为输入端，输入节点N1与公共节点N0之间是T1的正偏发射结，具有低直流偏置电压和很小的交流输入电阻。T2是输出管，它的集电极是输出端，集电极电流是输出电流并具有恒流特性，因此具有很高的交流输出电阻。基准电流IR可用两种方法来实现，下图（a）的IR是经电阻尺和正电源获得，IR的数值可用R进行调节，这种方法主要用于产生偏置电流；下图（b）的IR由一个电流源直接提供，常用于电流信号的复制。

MOS管基本电流镜由两个N沟增强型MOS管组成的基本电流镜如下图所示。M1与M2两管的衬底与源短接，所以不存在体效应。M1作输入管，其栅、漏极短接，VDS1=VGS1>VGSt-VT1，所以T1总是工作在饱和区，而且由于栅、漏短接，其交流输人电阻也较低。T2作输出管，只要VDS2>VDS1-VT2，T2也工作在饱和区，漏极的交流输出电阻很高，这是下图所示电路作为电流镜的必要条件。

Widlar电流镜在集成电路中，经常要用到微安级的小电流。若用前述基本电流镜来获得小电流，将遇到两个困难。一个是由于版图的原因，双极型晶体管T1、T2的发射结面积之比不能任意大，一般A1/A2