电流源电路

模电系列文章目录

《三极管BJT特性》
《绝缘栅极场效应管MOSFET特性》
《三极管基本放大电路静态及动态参数计算》
《三极管三种基本放大电路：共射、共集、共基放大电路》
《集成运放电路组成及其各部分的作用》
《差分放大电路分析与仿真》
《差分放大电路的四种接法》
《电流源电路》

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一、电流源电路

电流源电路主要有两个作用：
1.为集成运放各级电路提供合适的静态电流；
2.作为有源负载取代高阻值电阻，提高放大电路的放大能力。

二、镜像电流源

镜像电流源由两只特性完全相同的三极管T0和T1构成，T0的UCE0与UBE0相等，保证T0工作在放大状态，镜像电流源电路的特殊接法，使得IC1和IC0呈镜像关系。

镜像电流源因其对称镜像特性，具备以下关系：
$$I_{B0}=I_{B1}=I_B，{\beta }_0={\beta }_1=\beta ，I_{C0}=I_{C1}=I_C=\beta I_B$$
电阻R的电流为基准电流
$$I_R=\frac{V_{CC}-U_{BE}}{R}=I_C+2I_B=I_C+2\frac{I_C}{\beta }$$
集电极电流
$$I_C=\frac{\beta }{\beta +2}\ast I_R$$
β>>2(β一般都是百倍以上)时，输出电流
$$I_C\approx I_R=\frac{V_{CC}-U_{BE}}{R}$$
镜像电流源具有温度补偿：
$$温度上升\to I_{C0}/I_{C1}\uparrow \to I_R\uparrow \to U_R(I_R\ast R)\uparrow \to U_{BE}\downarrow \to I_B\downarrow \to I_C\downarrow$$

三、比例电流源

比例电流源电路改变了镜像电流源IC1≈IR的关系，与IR成比例关系。

推导过程如下
$$U_{BE0}+I_{E0}{R}_{e0}=U_{BE1}+I_{E1}{R}_{e1}$$
三极管发射结电压与发射极电流近似关系
$$U_{BE}\approx U_{T}ln\frac{I_E}{I_S}$$
$$U_{BE0}-U_{BE1}=U_{T}ln\frac{I_{E0}}{I_{E1}}$$
$$I_{E1}{R}_{e1}\approx I_{E0}{R}_{e0}+U_{T}ln\frac{I_{E0}}{I_{E1}}$$
当β>>2时，IC0≈IE0≈IR，IC1≈IE1
$$I_{C1}=\frac{R_{e0}}{R_{e1}}\ast I_R+\frac{U_T}{R_{e1}}ln\frac{I_{E0}}{I_{E1}}$$
在一定取值范围内，可忽略对数项
$$I_{C1}=\frac{R_{e0}}{R_{e1}}\ast I_R，I_R\approx \frac{V_{CC}-U_{BE0}}{R+R_{e0}}$$
只要改变Re0和Re1的阻值，就可以改变IC1和IR的比例关系。

四、微电流源

微电流源是指获得很小电流的（uA级）IC1。

当β>>1时，T1满足
$$I_{C1}\approx I_{E1}=\frac{U_{BE0}-U_{BE1}}{R_e}$$
T1和T0特性完全相同，因Re0=0
$$I_{C1}=\frac{R_{e0}}{R_{e1}}\ast I_R+\frac{U_T}{R_{e1}}ln\frac{I_{E0}}{I_{E1}}\approx \frac{U_T}{R_e}ln\frac{I_R}{I_{C1}}$$
$$I_R\approx \frac{V_{CC}-U_{BE0}}{R}$$

五、加射极输出器的电流源

利用T2的电流放大作用，减小基极电流IB0和IB1对基准电流IR的分流。

T0、T1和T2特性完全相同的情况
$${\beta }_0={\beta }_1={\beta }_2=\beta ，U_{BE1}=U_{BE0}，I_{B0}=I_{B1}=I_B$$
$$I_{C1}=I_{C0}=I_R-I_{B2}=I_R-\frac{I_{E2}}{1+\beta }=I_R-\frac{2I_B}{1+\beta }=I_R-\frac{2I_{C1}}{(1+\beta )\beta }$$
故
$$I_{C1}=\frac{I_R}{1+\frac{2}{(1+\beta )\beta }}\approx I_R$$
即使β很小，IC1和IR也几乎相等。

虚线Re2是增大T2的工作电流，从而提高T2的β。

六、威尔逊（wilson）电流源

T0、T1和T2特性完全相同的情况
$${\beta }_0={\beta }_1={\beta }_2=\beta ，I_{C0}=I_{C1}=I_C$$
$$I_{E2}=I_C+2I_B=I_C+\frac{2I_C}{\beta }$$
故
$$I_C=\frac{\beta }{2+\beta }\ast I_{E2}=\frac{\beta }{2+\beta }\ast \frac{1+\beta }{\beta }{I}_{C2}=\frac{1+\beta }{2+\beta }{I}_{C2}$$
$$I_R=I_{B2}+I_C=\frac{I_{C2}}{\beta }+\frac{1+\beta }{2+\beta }{I}_{C2}=\frac{{\beta }^2+2\beta +2}{{\beta }^2+2\beta }{I}_{C2}$$
故
$$I_{C2}=(1-\frac{2}{{\beta }^2+2\beta +2})I_R\approx I_R$$
β很小时IC2≈IR也满足。

七、多路电流源

$$U_{BE0}+I_{E0}{R}_{e0}=U_{BE1}+I_{E1}{R}_{e1}=U_{BE2}+I_{E2}{R}_{e2}=U_{BE3}+I_{E3}{R}_{e3}$$
$$I_{E0}{R}_{e0}\approx I_{E1}{R}_{e1}\approx I_{E2}{R}_{e2}\approx I_{E3}{R}_{e3}$$
确定IE0，选择合适的电阻，就可获得所需电流。

总结

无论是哪种电流源电路，求取输出电流步骤：
1.确定基准电流
2.找到基准电流与负载电流的关系
3.化简，求解负载电流

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