第14节 How to Build a Current Mirror Circuit (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 两个 NPN 晶体管——推荐型号为 2N2222 或 2N3403（Radio Shack 目录 # 276-1617 是一个包含 15 个 NPN 晶体管的封装，非常适合本实验和其他实验）
- 两节 6 伏电池
- 一个 10 kΩ 电位器，单圈，线性锥形（Radio Shack 目录 # 271-1715）
- 两个 10 kΩ 电阻器
- 四个 1.5 kΩ 电阻器
建议使用小信号晶体管，以便在实验后期能够体验“[热失控](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 电流镜 (opens new window)。
请注意，并非所有晶体管都具有相同的端子名称或_引脚排列_，即使它们具有相同的物理外观。
这将决定如何将晶体管连接在一起以及如何连接到其他组件，因此请务必查看制造商的规格（组件数据表），该规格可从制造商的网站轻松获得。请注意，晶体管的封装甚至制造商的数据表都可能显示错误的端子标识图！
强烈建议使用万用表的“二极管检查”功能仔细检查引脚标识。有关如何使用万用表识别双极晶体管端子的详细信息，请参阅本书系列的半导体卷（卷 III）的第 4 章。
交叉引用
电路课程，第 3 卷，第 4 章：“双极结型晶体管 (opens new window)”
学习目标
- 如何建立电流镜电路
- 电流镜电路的电流限制
- BJT 的温度依赖性
- 体验受控的“热失控”情况
原理图，示意图
插图
指示
电流镜可以被认为是一个_可调节的电流调节器_，电流限制很容易由单个电阻 (opens new window)设置。这是一种相当粗糙的电流调节器电路，但由于其简单性而得到广泛使用。
在本实验中，您将有机会构建其中一个电路，探索其电流调节特性，并亲身体验其一些实际限制。按照原理图和插图构建电路。
您将从零件清单中指定的零件中获得一个额外的 1.5 kΩ 固定值电阻器。您将在本实验的最后一部分使用它。
电位器设置通过晶体管 Q 1的电流量。这个晶体管被连接起来充当一个简单的二极管：只是一个 PN 结。
为什么使用晶体管而不是普通二极管？_因为在电流镜电路中使用这两个晶体管时，匹配_这两个晶体管的结特性很重要。Q 1的基极-发射极结上的压降施加在另一个晶体管 Q 2的基极-发射极结上，使其“导通”并同样传导电流。
由于两个晶体管的基极-发射极结上的电压是相同的——两个结对彼此并联——所以电流应该通过它们的基极端子，假设相同的结特性和相同的结温。匹配的晶体管也应该具有相同的 β 比率，因此相等的基极电流意味着相等的集电极电流。
所有这一切的实际结果是 Q 2的集电极电流模拟通过电位计通过 Q 1的集电极建立的任何电流幅度。换言之，通过Q 2的电流 _反映_了通过Q 1的电流。负载电阻的变化（将 Q 2的集电极连接到电池正极的电阻）对 Q 1的电流没有影响，因此对 Q 2的基极-发射极电压或基极电流没有影响。
在基极电流恒定且 β 比率几乎恒定的情况下，Q 2将根据需要降低集电极-发射极电压以保持其集电极（负载）电流恒定。因此，电流镜电路的作用是将电流_调节_到由电位器设定的值，而不考虑负载电阻。
好吧，无论如何，它应该是这样工作的。现实并不像你即将看到的那么简单。
在所示电路图中，Q 2的负载电路通过电流表完成到电池的正极，便于电流测量。我没有将电流表的黑色探针牢固地连接到电路中的某个点，而是标记了五个_测试点_TP1 到 TP5，供您在测量电流时触摸黑色测试探针。
这使您可以快速轻松地更改负载电阻：将探头接触到 TP1 会导致几乎没有负载电阻，而将其接触到 TP5 会导致大约 14.5 kΩ 的负载电阻。开始实验时，将测试探针接触到 TP4 并在其行程范围内调整电位计。
当您移动电位计机构时，您应该会看到电流表指示的微小变化的电流：不超过几毫安。将电位器设置在给出整数毫安的位置，并将仪表的黑色测试探针移动到 TP3。
当前指示应该与以前非常接近。将探头移至 TP2，然后移至 TP1。
同样，您应该看到几乎没有变化的电流量。尝试将电位器调整到另一个位置，给出不同的电流指示，然后将仪表的黑色探针接触测试点 TP1 到 TP4，注意改变负载电阻时电流指示的稳定性。
这证明了该电路的电流_调节_行为。您应该注意，当前的法规并不完美。
尽管将电流调节到_接近_0 到 4.5 kΩ 之间的负载电阻值，但在此范围内仍有一些变化。如果允许负载电阻上升得太高，调节可能会更糟。
尝试调整电位器以获得最大电流，如连接到 TP1 的电流表测试探针所示。将电位计留在该位置，将仪表探头移至 TP2，然后是 TP3，然后是 TP4，最后是 TP5，注意仪表在每个连接点的指示。
电流应该被调节在一个几乎恒定的值，直到仪表探头移动到最后一个测试点 TP5。在那里，电流指示将大大低于其他测试点。
为什么是这样？因为在 Q 2的电路中插入了过多的负载电阻。简而言之，Q 2不能“开启”任何比它已经拥有的更多的东西，以在如此大的负载电阻和较小的负载电阻下保持相同的电流量。
_这种现象在所有电流调节器电路中都很常见：电流调节器在饱和_之前可以处理的电阻量是有限的。这是有道理的，因为任何能够通过_任何_可以想象的负载电阻提供恒定电流量的电流调节器电路都需要无限的电压源来做到这一点！
欧姆定律 (opens new window)(E=IR) 规定了将给定数量的电流通过给定数量的电阻所需的电压量，并且只有 12 伏的电源电压可供我们使用，负载电流和负载电阻的有限限制该电路存在。_出于这个原因，将电流调节器电路视为电流限制器_电路可能会有所帮助，因为它们真正能做的就是将电流限制在某个最大值。
一般来说，电流镜电路的一个重要警告是两个晶体管之间的温度相等。两个晶体管的集电极电路之间发生的电流“镜像”取决于具有完全相同特性的这两个晶体管的基极-发射极结。
正如“二极管方程”所描述的，PN 结的电压/电流关系很大程度上取决于结_温_。PN 结 (opens new window)越热，对于给定的电压降，它将通过的电流越多。
如果一个晶体管变得比另一个更热，它将通过比另一个更多的集电极电流，并且电路将不再像预期的那样“镜像”电流。在使用分立晶体管构建真实电流镜电路时，两个晶体管应用环氧树脂胶粘在一起（背靠背），以使它们保持在大致相同的温度。
为了说明这种对等温的依赖性，试着用手指夹住一个晶体管来加热它。随着晶体管温度的升高，通过负载电阻的电流会发生什么变化？
现在，放开晶体管并对其进行吹气以将其冷却至环境温度。用手指抓住_另一个_晶体管加热。
负载电流现在做什么？在实验的下一阶段，我们将有意让其中一个晶体管过热并注意其影响。
为避免损坏晶体管，执行此过程的时间不应超过观察负载电流开始“失控”所需的时间。首先，调整电位器以获得最小电流。
接下来，将 10 kΩ R限制电阻替换为 1.5 kΩ 电阻。这将允许更高的电流通过Q 1，因此也通过Q 2。
将电流表的黑色探头放在 TP1 上并观察电流指示。沿增加电流的方向移动电位计，直到通过电流表读取约 10 mA。
此时，停止移动电位器并观察电流。您会注意到电流开始自行增加，无需进一步移动电位计！
当电流超过 30 mA 时，通过从 TP1 移除仪表探头来断开电路，以避免损坏晶体管 Q 2。如果您用手指仔细触摸两个晶体管，您应该注意到 Q 2是温暖的，而 Q 1是凉爽的。
__警告：如果让 Q 2的电流“失控”太远或时间太长，它可能会变得__非常热！触摸过热的半导体元件可能会严重灼伤指尖，因此在此要小心！
刚刚发生了什么使 Q 2过热并失去电流控制？通过将电流表连接到 TP1，所有负载电阻都被移除，因此 Q 2在调节电流时必须降低集电极和发射极之间的完整电池电压。
晶体管 Q 1至少具有 R限制的 1.5 kΩ 电阻以降低大部分电池电压，因此其功耗远小于 Q 2。这种功耗的严重不平衡导致 Q 2比 Q 1发热更多。
随着温度升高，Q 2开始在相同数量的基极-发射极电压降下通过更多电流。这导致它升温更快，因为它通过了更多的集电极电流，同时集电极和发射极之间的电压仍然下降了 12 伏。
这种效应被称为_热失控_，并且在许多双极结晶体管电路中都可能发生，而不仅仅是电流镜。
电脑模拟
带有 SPICE 节点号的示意图：
网表（制作一个包含以下文本的文本文件，逐字）：
电流镜 v1 1 0 vammeter 1 3 dc 0 rlimit 1 2 10k rload 3 4 3k q1 2 2 0 mod1 q2 4 2 0 mod1 .model mod1 npn bf=100 .dc v1 12 12 1 .print dc i(vammeter) .end
伏安表只不过是一个零伏直流电池，战略性地放置以拦截负载电流。这只不过是在SPICE 仿真 (opens new window)中测量电流的技巧，因为 SPICE 语言中不存在专用的“电流表”组件。
重要的是要记住 SPICE 只识别组件名称的前八个字符。“vammeter”这个名字是可以的，但如果我们要在电路中加入多个电流测量电压源，并分别将它们命名为“vammeter1”和“vammeter2”，SPICE 会将它们视为同一组件的两个实例“vammeter”（只看到前八个字符）并因错误而停止。
更改网表或编写自己的 SPICE 仿真时要牢记一些事情！您将不得不在此模拟中试验不同的 R负载电阻值，以了解电路的电流调节特性。
将 R限制设置为 10 kΩ 且电源电压为 12 伏时，通过 R负载的调节电流将为 1.1 mA。SPICE 显示调节是完美的（计算机模拟的虚拟世界不是很好吗？），对于各种负载电阻，负载电流保持在 1.1 mA。然而，如果负载电阻增加到超过 10 kΩ，即使这个模拟显示负载电流也会像现实生活中一样减少。
相关练习：
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