双极性结型晶体管（BJT）电流源或电流镜研究
doug mercer，adi 顾问研究员
antoniu miclaus，adi 系统应用工程师
本实验的目的是研究双极性结型晶体管（bjt）电流源或电流镜。电流源的重要特性包括：在宽顺从电压范围保持高输出阻抗、能抑制外部变化（如电源或温度）的影响。
背景知识
电流镜是一种电路模块，通过复制输出端子的电流来产生完全一样的流入/流出输入端子电流。简单的两晶体管电流镜主要是依靠两个大小相同，在相同温度下具有相同的vbe的晶体管具有相同的漏极或集电极电流来实现的。电流镜的一个重要特性是输出阻抗相对较高，因此无论在何种负载条件下，输出电流都可以保持恒定不变。电流镜的另一个特性是输入电阻相对较低，因此无论在何种驱动条件下，输入电流都可以保持恒定不变。复制的电流可以而且通常都是一个不断变化的信号电流。电流镜常用于在放大级中提供偏置电流和有源负载。
材料：
adalm2000主动学习模块 无焊面包板 跳线 两个1 kω电阻（阻值尽可能接近，或者测量到三位数字或更精确） 两个小信号npn晶体管（2n3904或ssm2212） 一个双通道运算放大器（例如adtl082） 两个4.7μf解耦电容 说明
可以重复使用共发射极bjt曲线量测仪实验中使用的基本配置来测量电流镜特性。输入电阻r1和输出电阻r2现在都是1 kω。一定要准确测量（尽可能使用更多的有效位数）r1和r2的实际值，以确保准确测量电流镜的输入和输出电流。iin等于w1处的awg2输出电压除以r1的值。iout等于scope channel 2测量的电压除以r2的值。二极管连接的晶体管q1跨接在q2的基极和发射极端子。
在电流镜配置中，运算放大器作为电流镜输入（基极）节点的虚拟地，将来自awg2 （w2）的电压阶跃转化为通过1 kω电阻的电流阶跃。
图1.电流镜测试电路。
如果您不想使用运算放大器配置，也可以使用图2所示的简化配置。
图2.备选的简单电流镜测试电路。
图3.电流镜测试电路的面包板连接（带运算放大器）。
图4.简单的电流镜测试电路的面包板连接。
硬件设置
加载适用于信号发生器的w2通道的stairstep.csv文件，将幅度设置为3 v峰峰值，偏置设置为1.5 v。输出器件q2的vce由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kω电阻r2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自awg 1（输出w1）、频率为40 hz的三角波形进行扫描。如果您要使用运算放大器设置，请确保该器件已正确连接至电源vp （5 v）和vn （–5 v）。
程序步骤
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。如果您要使用运算放大器配置，确保已开启电源。
使用scopy工具提供的示波器或通过ltspice®仿真绘制这两个波形。下图提供了示例。
图5.如scopy绘图所示，w2为10 khz频率时的电流镜波形。
现在，将w1的频率更改为200 hz，然后绘制两个波形。对相同电路使用ltspice仿真的示例如图6所示。
图6.如ltspice绘图所示，w1为200 hz、w2为40 hz时的电流镜波形。
带基极电流补偿的电流镜
如图7所示，通过添加基极电流补偿晶体管q3来修改简单的电流镜电路。使用发射极跟随器缓冲器替代将q1的集电极连接至基极。对简单电流镜的这种改进被称为发射极跟随器增强镜。发射极跟随器缓冲级（q2）的电流增益可以大幅降低由q1和q2的有限基极电流引起的增益误差。
图7.带基极电流补偿的电流镜。
硬件设置
加载适用于信号发生器的w2通道的stairstep.csv文件，将幅度设置为3 v峰峰值，偏置设置为1.5 v。输出器件q2的vce由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kω电阻r2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自awg1（输出w1）、频率为40 hz的三角波形进行扫描。将正电源vp （+5 v）连接至q3晶体管的集电极。
程序步骤
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。打开正电源。
使用scopy工具提供的示波器或通过ltspice仿真绘制这两个波形。示例如图9所示
图9.如scopy绘图所示，w2为10 khz频率时的电流镜波形。
图8.带基极电流补偿的电流镜的面包板连接。
威尔逊电流镜
威尔逊电流镜或威尔逊电流源以乔治·威尔逊的名字命名，是一种改进的电流镜电路配置，旨在提供更恒定的电流源或电流吸收器。它提供更准确的输入-输出电流增益。如图10所示，将简单的电流镜更改为威尔逊电流镜。
图10.威尔逊电流镜。
硬件设置
加载适用于信号发生器的w2通道的stairstep.csv文件，将幅度设置为3 v峰峰值，偏置设置为1.5 v。输出器件q2的vce由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kω电阻r2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自awg1（输出w1）、频率为40 hz的三角波形进行扫描。
程序步骤
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。
使用scopy工具提供的示波器或通过ltspice仿真绘制这两个波形。scopy波形图示例如图12所示。
图12.如scopy绘图所示，w2为10 khz频率时的威尔逊电流镜波形。
图11.威尔逊电流镜的面包板连接。
维德拉电流镜
如图13所示，将简单的电流镜更改为维德拉电流镜。维德拉电流源在基本的双晶体管电流镜的基础上做了改进，包含仅用于输出晶体管的发射极负反馈电阻，使电流源仅使用中等电阻值就能产生低电流。维德拉电路可与双极性晶体管或mos晶体管一起使用。
图13.维德拉电流镜。
图14.维德拉电流镜的面包板连接。
硬件设置
加载适用于信号发生器的w2通道的stairstep.csv文件，将幅度设置为3 v峰峰值，偏置设置为1.5 v。输出器件q2的vce由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kω电阻r2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自awg1（输出w1）、频率为40 hz的三角波形进行扫描。
程序步骤
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。
使用scopy工具提供的示波器或通过ltspice仿真绘制这两个波形。scopy波形图示例如图15所示。
图15.如scopy绘图所示，w2为10 khz频率时的维德拉电流镜波形。
问题：
您能说出带基极电流补偿的电流镜电路的一个优点和一个缺点吗？ 您能说出威尔逊电流镜的一个优点和一个缺点吗？
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在电流镜配置中，运算放大器作为电流镜输入（基极）节点的虚拟地，将来自awg2 （w2）的电压阶跃转化为通过1 kω电阻的电流阶跃。
图1.电流镜测试电路。
如果您不想使用运算放大器配置，也可以使用图2所示的简化配置。
图2.备选的简单电流镜测试电路。
图3.电流镜测试电路的面包板连接（带运算放大器）。
图4.简单的电流镜测试电路的面包板连接。
硬件设置
加载适用于信号发生器的w2通道的stairstep.csv文件，将幅度设置为3 v峰峰值，偏置设置为1.5 v。输出器件q2的vce由示波器输入1+和1-进行差分测量。电流镜输出电流通过1 kω电阻r2两端的示波器输入2+和2–测量。集电极电压使用来自awg 1（输出w1）、频率为40 hz的三角波形进行扫描。如果您要使用运算放大器设置，请确保该器件已正确连接至电源vp （5 v）和vn （–5 v）。
程序步骤
配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。如果您要使用运算放大器配置，确保已开启电源。
使用scopy工具提供的示波器或通过ltspice®仿真绘制这两个波形。下图提供了示例。
图5.如scopy绘图所示，w2为10 khz频率时的电流镜波形。
现在，将w1的频率更改为200 hz，然后绘制两个波形。对相同电路使用ltspice仿真的示例如图6所示。
图6.如ltspice绘图所示，w1为200 hz、w2为40 hz时的电流镜波形。
带基极电流补偿的电流镜
如图7所示，通过添加基极电流补偿晶体管q3来修改简单的电流镜电路。使用发射极跟随器缓冲器替代将q1的集电极连接至基极。对简单电流镜的这种改进被称为发射极跟随器增强镜。发射极跟随器缓冲级（q2）的电流增益可以大幅降低由q1和q2的有限基极电流引起的增益误差。
图7.带基极电流补偿的电流镜。
硬件设置
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图10.威尔逊电流镜。
硬件设置
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维德拉电流镜
如图13所示，将简单的电流镜更改为维德拉电流镜。维德拉电流源在基本的双晶体管电流镜的基础上做了改进，包含仅用于输出晶体管的发射极负反馈电阻，使电流源仅使用中等电阻值就能产生低电流。维德拉电路可与双极性晶体管或mos晶体管一起使用。
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程序步骤
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图15.如scopy绘图所示，w2为10 khz频率时的维德拉电流镜波形。
问题：
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