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用bjt電晶體可以構造乙個簡易的恆流源,實現電路如下:
圖3-11.01
前面我們在射極放大電路的分壓偏置時講過,分壓偏置具有非常好的穩定性,幾乎不受電晶體的β引數偏移的影響,因此可以用這個分壓偏置電路來實現恆流源。其電路計算方法與分壓偏置也是類似的:
基極電壓vb為:
發射極電壓ve為:
最終輸出電流為:
當然,這個恆流源假設bjt電晶體工作在正常的放大區內,所以負載的阻值rl不能太大,否則rl上會產生過大的壓降,迫使vce變小直至小於vcesat而進入飽和區,最終導致電流源失效。所以一般只能用於低成本、對輸出電流要求不高的場合。
上面的簡易恆流源還有個缺點,就是輸出電流受vcc的影響較大。若vcc有波動,基極偏置電壓vb也會跟著產生波動,然後ve也跟著波動,最終導致輸出電流也會波動變化,穩定性不好。(你若要問為啥vcc不用7805之類穩壓ic器件?這種低成本場合用乙個幾塊錢的ic器件是土豪麼?)
那有什麼低成本的穩壓器件呢?有的,答案就是齊納二極體。改進恆流源電路如下:
圖3-11.02
如此,基極電壓vb可以穩定在齊納vz,最終的輸出電流為:
從上式可見,輸出電流表示式中沒有vcc,因此輸出電流不受vcc波動的影響。而且,齊納二極體一般受溫度影響也比較小,所以上面這個改進的恆流源電路有較好的穩定性。當然,前提還是要工作在bjt的放大區範圍內才行。
上面的改進恆流源還有個問題,就是負載rl不能接地,只能懸空使用。若要使rl能接地,必須再想辦法。考慮到pnp型電晶體的電流方向相反,集電極可以接地使用,因此可用pnp型來實現恆流源,電路如下:
圖3-11.03
上圖中,計算原理和前面是一樣的,只是pnp電晶體的計算方向全部相反:
輸出電流的最終表示式與前面使用npn型電晶體的表示式是一樣的。
映象電流源(current mirror)有時也被稱為電流鏡,是一種利用兩個對稱的電晶體產生恆流源的電路。不過,映象電流源一般只應用於積體電路晶元內部的設計(比如運放的設計),很少在分立元件電路中使用。因為分立元器件很難找到兩個放大係數一模一樣的對稱電晶體,而在積體電路晶元製造中做兩個特性完全一致的片上電晶體是可以做到的。
所以,一般如果你不是專門從事ic設計的話,一般用不到這個電路。不過奇怪的是,幾乎所有的模電教材都喜歡把電流鏡拉出來講一講,好吧,那我們也講一下吧,其實它的原理並不難。不過,這個電流鏡那些個公升級版:什麼威爾遜(wilson)電流鏡、wildlar電流源、比例電流鏡等等……就真的不用去管了。
電流鏡的基本實現原理見下圖:
圖3-11.04
其名稱由來,是因為如果你通過調節vcc1
和rin,得到了乙個原始的電流iin;那麼,在輸出端可以得到乙個和iin幾乎一樣大小的映象電流iout,而不用管vcc2
和負載rl的值(當然vcc2
和rl不能太過分以致於超出正常工作範圍)。
其工作原理分析如下圖所示:
圖3-11.05
a. 兩個電晶體q1和q2的基極連線在一起,故它們的基極電壓是相同的,記為vb。
b. 由於兩個電晶體的特性是完全一致的,那麼相同的基極電壓vb應該產生相同的基極電流ib1和ib2。
c. 再由於兩個電晶體的放大係數β也相同,那麼集電極電流ic1
和ic2
也應該是相同的。
d. 輸入電流iin=ic1
+ib1+ib2≈ic1
,輸出電流iout=ic2
,故輸入電流iin和輸出電流iout近似相等。
最後的問題就是輸入電流iin怎麼算。由於q1的集電極和基極短路,故:
那麼,輸入電流iin即為:
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