第14节 电流镜 BJT (修订中)
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# 1. 双极结晶体管或 BJT 电流镜
[应用双极结型晶体管](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 电阻 (opens new window)范围内为负载提供几乎恒定的电流。
我们知道，在工作模式下 (opens new window)的晶体管中，集电极电流等于基极电流乘以比率 β。我们也知道集电极电流与发射极电流之比称为α。因为集电极电流等于基极电流乘以 β，而发射极电流是基极电流和集电极电流之和，所以 α 在数学上应该可以从 β 推导出来。如果你做代数，你会发现任何晶体管的 α = β/(β+1)。
我们已经看到通过有源晶体管保持恒定基极电流如何根据 β 比率调节集电极电流。好吧，α 比率的工作原理类似：如果发射极电流保持恒定，只要晶体管有足够的集电极到发射极电压降以保持其处于活动模式，集电极电流将保持在稳定的、经过调节的值。因此，如果我们有办法通过晶体管保持发射极电流恒定，则晶体管将工作以将集电极电流调节在恒定值。
请记住，BJT 的基极-发射极结只不过是一个 PN 结，就像二极管一样，并且“二极管方程”指定了在给定正向压降和结温的情况下将有多少电流通过 PN 结：
二极管方程公式
如果结电压和温度都保持不变，则 PN 结电流将保持不变。按照这个原理，如果我们要保持晶体管的基极-发射极电压恒定，那么在给定恒定温度的情况下，它的发射极电流将是恒定的。考虑下面的示例图
常数 VBE 给出常数 IB、常数 IE 和常数 IC。
这个恒定的发射极电流乘以恒定的 α 比率，如果有足够的电池电压可用于将晶体管保持在其活动模式以应对 R load电阻的任何变化，则通过 R load提供恒定的集电极电流。
为了在晶体管的基极- 二极管 (opens new window)来建立大约 0.7 伏的恒定电压，并将其与基极-发射极结并联，如下图所示。
二极管结 0.7 V 保持恒定的基极电压和恒定的基极电流。
二极管上的电压降可能不会精确为 0.7 伏。正向压降的确切量取决于通过二极管的电流和二极管的温度，所有这些都符合二极管方程。如果增加二极管电流（例如，通过降低 Rbias 的电阻），其压降将略微增加，从而增加晶体管的基极-发射极结上的压降，这将使发射极电流增加相同的比例，假设二极管的PN结和晶体管的基极-发射极结彼此匹配良好。换句话说，晶体管发射极电流在任何给定时间都将接近于二极管电流。如果通过改变 Rbias 的电阻值来改变二极管电流，然后晶体管的发射极电流将跟随，因为发射极电流由与二极管相同的方程描述，并且两个 PN 结经历相同的电压降。
请记住，晶体管的集电极电流几乎等于其发射极电流，因为典型晶体管的 α 比率几乎为单位 (1)。如果我们可以通过简单的电阻调整来设置二极管电流来控制晶体管的发射极电流，那么我们同样可以控制晶体管的集电极电流。换句话说，集电极电流模仿或_镜像_二极管电流。
因此，通过电阻器 R load的电流是偏置电阻器设置的电流的函数，两者几乎相等__。这就是电流镜电路的功能：通过方便地调整 Rbias 的值来调节流过负载电阻的____电流__。通过二极管的电流由一个简单的公式描述：电源电压减去二极管电压（几乎是一个恒定值），再除以 Rbias 的电阻。
为了更好地匹配两个 PN 结（二极管结和晶体管基极-发射极结）的特性，可以使用晶体管代替常规二极管，如下图（a）所示。
电流镜电路。
因为温度是“二极管方程”中的一个因素，并且我们希望两个 PN 结在所有工作条件下表现相同，所以我们应该将两个晶体管保持在完全相同的温度。这很容易使用分立元件通过背靠背粘合两个晶体管外壳来完成。如果晶体管一起制造在单个硅芯片（作为所谓的_集成电路_或_IC_）上，设计人员应将两个晶体管放置在彼此靠近的位置，以促进它们之间的热传递。
上图 (a) 中显示的带有两个 NPN 晶体管的电流镜电路有时被称为___电流吸收___型，因为调节晶体管将电流从负载吸收到地（“吸收”电流），而不是强迫它从电池的正极到负载（“源”电流）。如果我们希望有一个接地负载和一个_电流源_镜像电路，我们可以使用如上图 (b) 所示的 PNP 晶体管。
虽然电阻器可以在 IC 中制造，但制造晶体管更容易。IC 设计人员通过用电流源替换负载电阻器来避免使用一些电阻器。由分立元件构成的运算放大器之类的电路将具有少量晶体管和许多电阻器。集成电路版本将具有许多晶体管和一些电阻器。在下图中，一个电压基准，Q1 驱动多个电流源：Q2、Q3 和 Q4。如果 Q2 和 Q3 是等面积晶体管，则 I加载的负载电流将相等。如果我们需要一个 2·I负载，并联 Q2 和 Q3。最好制造一个晶体管，比如 Q3，其面积是 Q2 的两倍。电流 I3 将是 I2 的两倍。换言之，负载电流与晶体管面积成比例。
多个电流镜可以从单个 (Q1 - Rbias) 电压源控制。
请注意，通常将基极电压线直接穿过多个电流镜的晶体管符号！或者在上图中的 Q4 的情况下，两个电流源与一个晶体管符号相关联。负载电阻被画得几乎看不见，以强调这些在大多数情况下不存在的事实。负载通常是另一个（多个）晶体管电路，例如差分放大器的一对发射极，例如“简单运算放大器”[第 8 章](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- ，Ch 8 (opens new window)是电流镜 (Q2)。
对于具有多个集电极的电流镜示例，输出参见 741 型运算放大器中的 Q13 ，第 8 章 (opens new window)。Q13 电流镜输出替代电阻器作为 Q15 和 Q17 的集电极负载。我们从这些示例中看到，电流镜在集成电路中比电阻器更适合作为负载。
# 2. 总结
- _电流镜_是通过负载电阻调节电流的晶体管电路，调节点通过简单的电阻调整来设置。
- 电流镜电路中的晶体管必须保持在相同的温度下才能精确操作。使用分立晶体管时，您可以将它们的外壳粘合在一起来做到这一点。
- 电流镜电路有两种基本类型：电流_吸收_配置，调节晶体管将负载连接到地；和电流_源_配置，其中调节晶体管将负载连接到直流电源的正极端子。
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