模擬小話之電流鏡

本次我們有幸邀請了愛學習又樂于分享的宋風盛同學，來分享基于bipolar的電流鏡的研究，希望大家有所收獲~

引言

當當，首先把整篇文章的思路放上來，大家感興趣可以接著往下看。

圖1：文章思維導圖

在任何一個電路中，電流鏡是要占很大比例，如果是一個放大器的話，這個比例甚至可以達到50%。相信大家都是從《模擬電子技術基礎》接觸到的模擬電路。首先接觸到的是單極放大器，接下來肯定就是電流鏡了。大家可能會疑惑了，難道電流鏡不是已經和單極放大器一樣簡單了嗎？那還有什么好講的呢？非也，待我細細道來。

相信了解集成電路發(fā)展史的朋友，肯定都知道：在之前集成電路大規(guī)模使用的器件結構并不是CMOS，而是BJT，所以大家如果去翻翻1980s前后的JSSC文章，很多都是基于BJT的。記得上模擬集成電路課程的時候，老師提到過：“不要認為BJT已經過時了，很多CMOS電路結構都是從BJT電路結構演化而來的，那么多的經典的結構都是上個世紀世界上最聰明的人想出來的，是一座豐富的寶藏?！彼员疚囊訠JT為主。

那我們就開始吧！

基礎知識

1、基本的bipolar電流鏡

圖2：基本的bipolar電流鏡

圖1所示的電路結構中，Q2通過復制Q1的基極電位，使得二者擁有相同的Vbe，從而使得Q2可以復制Q1的電流。在進行電流復制的時候，我們肯定是想得到一個非常準確的輸出電流即：Iout=Iin恒成立。但是由于三個非理想的因素導致永遠不可能得到這一精確復制結果。其實，模擬電路就不存在絕對準確，所有得到的結論都是基于一定的假設或者條件。條件變了，所有的結論都要推倒重來。

那么這三個非理想的因素是什么呢？

a、Bipolar晶體管是流控型器件，因為電流放大倍數不是無窮大的，總是存在基極電流。Iin不僅僅提供Q1的集電極電流，還需要為Q1、Q2提供基極電流。

b、晶體管工作在放大區(qū)的時候，集電極的電流是隨著它的集電極和發(fā)射極之間的電壓緩慢增加的。這是因為晶體管的厄爾利電壓不是無窮大導致的。

c、兩個晶體管在制造的時候，總是會存在隨機性失配。體現到了Is的表達式中。

綜合上述三個非理想因素的結果，得到如下電流鏡的輸出電流公式：

公式1：考量了三種非理想因素的輸出電流表達式

那么前輩們提出了什么樣的解決辦法呢？

首先來介紹一種beta helper結構：

圖3：betahelper電流鏡

在基本的bipolar電流鏡結構中我們提過了：電流鏡復制不準的一個原因就是Iin要提供Q1和Q3的基極電流，從而導致復制不準確。想要降低這個因素的影響，就要想辦法降低基極電流的大小。降低基極電流的大小只能通過降低beta，但是Iin又怎么能隨隨便便減小呢?

其實如果IB不變，只要Q1和Q3從Iin處抽取的電流降低是能達到同樣的效果的。這就是圖二結構的思路。由Q2的集電極電流偏置Q1和Q3。IB2經過Q2的電流放大之后，流向兩個晶體管的基極。這樣的話，就會將IB2的數值降低到原來的幾十分之一（1/（beta+1）），大大提高了復制精度。請大家留心，這一思想我們在接下來的電路中還會遇到。

現在已經改善了beta不夠大引起的誤差了，那厄爾利電壓不是無窮大的問題要怎么改善呢？這個問題其實是因為輸出電阻不夠大導致的。如果是這樣的話，那就好辦了，對不對？

公式2：輸出電阻表達式

我們可以添加一個shunt- series反饋，來增加輸出電阻。

圖4：添加了shunt-series反饋的beta helper結構

對于Q3而言，Rout由原來的ro增加到了ro（1+gmR3）。我們經常能在bipolar的電路結構中見到使用射極負反饋電阻的情況。

另外一種降低Vce不同導致的復制誤差的電路結構是：串接鏡像電流鏡。

圖5：串接鏡像電流鏡結構圖

串接組態(tài)是非常重要的，可以改善電路結構的高頻特性、降低偏置參考點源對電源電壓的敏感程度，提高psr。但是在這里使用到的是串聯(lián)組態(tài)最基本的特性：增加輸出電阻。在這個電路里面起到了串聯(lián)增加電阻的晶體管是Q1，Q3是為了給Q1提供偏置。

公式3：串接鏡像電流鏡等效輸出電阻表達式

Ro的阻值在兆歐級別，非常高，可以顯著地提高輸出電流的準確性。

另一種可以改善beta影響的結構是：威爾遜電流鏡。

威爾遜電流鏡結構的思路是：通過引入一個晶體管，和基本電流鏡結構結合起來，構成一個負反饋的電路結構，從而提供一個比較穩(wěn)定的輸出電流。具體如下：

圖6：威爾遜電流鏡結構圖

Iin和Ic3的差值構成Q2的基極電流，Q2的集電極電流流向Q1的集電極和Q1以及Q3的基極。而Q3復制Q1的集電極電流，只有當Q2的集電極電流等于2倍的Ib+ICQ1的時候，才會達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。該結構不僅僅減弱了beta的影響，同時因為構建了一個負反饋結構，也降低了對Vout的敏感程度。

當Vout增加的時候，Q2的集電極電流增加，同樣Q1的集電極和基極電流也增加，IC3和IB2同樣增加，但是IIN是固定的，這時候IQ2的就不會隨著Vout劇烈變化。

到這，有關提高bipolar復制精度的的基本電路結構的介紹就結束了。

下面我們再介紹兩個基本電流鏡電路的變形，這兩個電流鏡在模擬電路的偏置電路里面使用非常多。

分別是：widlar電流源和峰值電流源。

圖7：Widlar電流源結構圖

圖8：峰值電流源結構

在這兩個電流源中的Q1和Q2的的發(fā)射極面積是不一樣的，Q2：Q1=N:1。因為R2和R的存在使得Q1和Q2之間電流復制的比例不再是原來的1：1線性關系，而成了非線性關系，因為Q2的發(fā)射極面積大于Q1，但是Q2的Vbe是小于Q1的，所以復制關系類似一個e指數的形式，在IIN比較小的時候，Iout隨著IIn的增加而迅速增加，并隨著IIN的增加，增長的幅度下降。

到這，基本知識講解的就結束了，下面讓我們看看這些基本電路實際中是怎么應用的吧。

應用

基本的偏置電路：

我們可以使用widlar電流源和峰值電流源構建兩種偏置電路。

原理：因為widlar電流源和峰值電流源的輸出電流是隨著輸入電流呈現e指數增長的，那么在一開始的斜率是大于1的，但是隨著電流的增加，斜率逐漸降低，所以和線性關系的直線會存在兩個交點-簡并點。偏置電路在簡并點是穩(wěn)定的。

圖9：widlar電流源/峰值電流源輸入輸出電流示意圖

所以可以利用這一原理得到一個比較穩(wěn)定的偏置電路。

圖10：widlar基本偏置電路結構

圖11：峰值電流源基本偏置電路結構

兩個電阻是用來定義兩條支路上電流的。當然上面電路是比較簡單、粗糙的偏置電路結構。

它們沒有考慮各種非理想因素，而且輸出的電流對電源電壓非常敏感。

Bandgap：

基于widlar又提出了一種目前廣泛使用的偏置電路結構：bandgap電路結構。Bandgap結構沒有使用電流鏡來確保兩條支路的電流相等，而是通過一個運算放大器進行鉗位，得到一個非常精準的電流復制。電路結構如下圖所示：

圖12：bandgap結構示意圖

R1是該電路結構的定義電流的電阻。通過ΔVbe產生正溫度系數的電流，而Vbe產生的電流是負溫度系數的電路。將二者通過R2和R1進行疊加。得到一個接近零溫度系數的電壓。該電壓就是帶隙基準電壓。

該結構是通過一個運算放大器創(chuàng)造性的實現了一個電流鏡的功能，雖然大大降低了電流鏡Vds的影響因素，但是因為運算放大器的放大倍數并不是無窮大，該放大器存在失調電壓，所以想要得到一個比較小的溫漂系數，還需要對放大器的失調電壓進行消除。

高階的偏置電路：

雖然高階的偏置電路不能像bandgap那樣可以抑制溫漂，但是高階的偏置電路還是有一些好處的：具有很高的psr，電路結構簡單，芯片面積占用少，對于不太關注溫漂的電路結構，是一個不錯的選擇。下面我們就一起來看看吧！

首先電路結構圖如下：

圖13：高階偏置電路結構

該電路圖是哪種基礎結構的變形呢？答案是：威爾遜電流鏡。

同樣的，該偏置電路是通過Q30、Q40以及R40構成了一個widlar電流源，Q30和Q40的發(fā)射極面積比為1：2。但是它沒有采用基本結構那樣通過一個電流鏡使兩路電流相等，而是通過像威爾遜電流鏡那樣，Q10、Q50、Q20的發(fā)射極面積相等，三個晶體管的電流值十分接近。和威爾遜電流鏡相比，Q60的集電極電流沒有流向diode連接的晶體管，而是通過另外一路實現了電流的鏡像復制。

同時，我們可以看到，在上部分的電流鏡管子都添加了射極負反饋電阻，這是基礎部分講到的，不僅可以提高輸出電阻，還可以抑制輸出電流對電源電壓波動的響應，提高psr。

Translinear loop：

在bipolar組成的電路中，如果想要實現push-pull的電流輸出，translinear loop結構是一個非常不錯的選擇，它不僅可以實現class-AB的輸出，還可以大大簡化放大器的頻率補償。因為translinear loop結構的電路中，電流的通路全部都是地阻的，這樣的話，輸出節(jié)點的電阻值或者電路中節(jié)點的等效電阻都十分的小，從而使得電路中只有一個比較大的電阻節(jié)點，進行簡單的密勒補償，就能實現環(huán)路的穩(wěn)定。

讓我們一塊看一下吧：

圖14：translinearloop結構示意圖

一個經典的translinearloop如上圖所示，同樣采用的是電流鏡復制電流的原理，該結構，通過設置不同的發(fā)射極面積，控制了輸出管Q24和Q25的靜態(tài)電流。從而使得靜態(tài)功耗嚴格可控。

基極電流補償：

圖15：基極電流補償電路結構

在translinear loop結構中，因為電流放大倍數beta不是無窮大的值，想要輸出比較客觀的電流，就需要比較大的基極電流。基極電流補償中，同樣用到了電流鏡電流復制的原理，通過一個晶體管連接到輸出管的基極來感知電壓變化，從而實現電流感應，用一個反饋回路實現補償電流的功能。

總結

因為CMOS電流鏡電路和bipolar的電路結構的思路大體是一樣的，本文沒有再贅述，只寫了bipolar的部分。通篇看下來之后，給人最大的感受就是電流鏡無處不在，雖然可能形式結構不同，但是電流鏡的內核是一直沒有變化的，前輩們留下的各種各樣的奇思妙想，一次又一次的打開我們的腦洞，雖然現在bipolar使用的越來越少，但是對于一個模擬IC設計人員，這一座寶庫還是非常值得我們去一探究竟的?。ㄖ灰须娐费芯啃牡玫模痛廖?，有福利）

參考文獻

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