电流镜入门

1. 三极管伏安特性引入

这里以NPN管举例：

NPN型三极管

其伏安特性曲线如下：
（1）输入特性曲线：

image.png
（2）输出特性曲线：
image.png

1.1 工作区分析

有模电基础的同学都了解，三极管有三个工作区：饱和区、放大区、截止区

（1）截止区：把 I_B≤0的区域称为截止区。此时发射结上所加的电压 U_BE不足以克服发射结的死区电压，甚至发射结处于反向偏置状态（ U_BE＜0，所以形成的 I_C（或 I_E）很小，仅有很小的穿透电流 I_CBO。简单来说，BE电压差不足，此时发射结没正偏。

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（2）饱和区：简单来说，发射结和集电结均正偏。此时，U_BE>0，三极管脱离截止区， I_B>0，但是此时U_CE ＜ U_BE，即集电极电压不够高导致集电结也正偏了。集电结的正偏不利于集电区吸引基区的少子（电子），那么 I_C≠βI_B，两者之间没有控制关系，集电极电流不随基极电流而变化，好像饱和了一般，所以将这一工作区称为“饱和区”。注意，此时的三极管是没有放大能力的！

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从饱和区向放大区过度时，U_CE将逐渐增大，随着PN结从正偏向反偏过度，集电区对基区少子（电子，也是发射极的多子）的吸引能力越来越强， I_C将迅速增大，随后脱离饱和区进入放大区，并稳定在某值。

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（3）放大区：简单来说，发射结正偏和集电结反偏，发射极的多子（电子）源源不断的流向了集电极。随着U_CE 的电压增大，集电结反偏，此时 I_C=βI_B成立，I_C与I_B之间呈线性的放大关系，所以称为“放大区”。此时U_CE继续增大并不会影响PN结的反偏，U_CE失去了对I_C的控制，I_B的增大时I_C会随之增大。因此有种说法称三极管为“电流控制的电流源（I_B对I_C的控制）”。

这里可以补充一句，相对应的，MOS管是一种电压控制的电流源（U_GS对I_D的控制）。

MOS管和三极管的类比：

MOS管	三极管
截止区VGS≤0	截止区IB≤0
线性区VGS>VTH 以及 VDS<VGS-VTH	饱和区VCE ＜ VBE
饱和区VGS>VTH 以及 VDS>VGS-VTH，电压控制的电流源（UGS对ID的控制）	放大区VCE ＞VBE，电流控制的电流源（IB对IC的控制）

1.2 厄利效应（Early）

视频指路：https://www.bilibili.com/video/BV1oE41197VR?from=search&seid=8688819613439439886

理想与实际放大区的差别（该图截取自上附视频）
再来张更明显的，这是仙童半导体BC546系列三极管输出特性曲线图，放大区有很明显的厄利效应（该图截取自上附视频）

可以发现实际放大区电流曲线并非水平的，而是有一定的斜率，且将多条放大区电流线反向延长发现交于一点，这一点的电位称为厄利电压V_AF：

厄利电压V_AF（该图截取自上附视频）
修正值Δi（该图截取自上附视频）

这也是为什么三极管的集电极放大区命名有很大的工作范围，但是实际电路设计中只将其规范在很小的范围内，就是为了避免厄利效应的影响，从而使得电路工作的更加线性。

三极管如此，MOS管也如此，MOS管有类似的沟道长度调制效应（有时也把它叫做厄利效应）。所以为了电路设计更为线性，对于工作于放大区的三极管，需要规范其V_CE的范围，对于工作于饱和区的MOS管，需要规范其V_DS的范围。

1.3 电流镜

（1）三极管搭建的电流镜：

三极管搭建的电流镜（该图截取自上附视频）
三极管搭建的电流镜的四种类型（该图截取自上附视频）
浮：负载没有直接连接至地，浮于地；
地：负载有一端连接地，接于地；
纳：负载电流流向电流镜，吃进去了（NPN管）；
吐：负载电流流出电流镜，吐出来了（PNP管）。
（2）三极管电流镜的伏安特性：
由于厄利效应的存在，随着负载电流的增大，在三极管仍工作于放大区期间，输出电流曲线并非水平的，而是有一定的斜率。
该图截取自上附视频
（3）威尔逊电流镜
视频指路：https://www.bilibili.com/video/BV1KE411Z7R7?from=search&seid=8688819613439439886
这是一种改进的电流镜。
该图截取自上附视频
为了尽量减小厄利效应的影响，就需要保证电流镜工作时，V_CE不要有太大的变动，最好是在一个很小的范围内波动。

这种威尔逊电流镜的优点：
① 使得Q1的V_CE稳定在1.4V，Q2的V_CE稳定在0.7V，不论外界电路怎么变，两个三极管的V_CE都很稳定，因此其放大倍数也很稳定，厄利效应的影响几乎消失了。因此输出电流几乎完全不再受到负载电阻的干扰。
② 输入输出电流比值更接近于1：

该图截取自上附视频

（4）进一步的发展：
① 比例电流镜：在输入输出回路上加电阻，使得输入输出比值不再≈1，而是呈现一定的放大、缩小的比例关系
② 微电流电流镜（uA级）：在Q1或Q2的发射极加小电阻，使得输入电流达到微安级
③ 可以将三极管换成MOS管，也可以实现电流镜的功能：

地吐型，用到的是PMOS
栅漏级短接，两个PMOS工作于饱和区，理想状态下i_D只受V_GS的影响（忽略厄利效应），