一、簡介
由輸入端電流驅(qū)動(dòng)并向輸出端傳送電流的放大器稱為電流放大器。電流放大器的理想模型如圖1.a所示。它是關(guān)于具有零輸入等效電阻和無限輸出電阻的電流控制源。
圖1 a) 理想電流放大器的符號(hào) b) 實(shí)際電流放大器的符號(hào)
實(shí)際電流放大器具有較小的輸入等效電阻和非常大的輸出電阻，如圖1.b所示。
許多集成放大器的結(jié)構(gòu)依賴于簡單或更復(fù)雜的電流鏡。為了理解電流鏡的工作原理，首先討論如何使用晶體管獲得電流源是有用的。
二、當(dāng)前來源
理想電流源的IV 特性如圖2.a所示。
圖2 a) 理想電流源的IV特性 b) MOS晶體管的輸出特性
另一方面，MOS 晶體管的 IV 輸出特性如圖 2.b 所示。正如我們所看到的，當(dāng) V>V ain時(shí)，晶體管的 IV 輸出特性近似于電流源的特性。因此，我們可以得出結(jié)論，適當(dāng)偏置的晶體管在輸出端子處充當(dāng)實(shí)際電流源。圖 2.b 中的特性曲線的反斜率，對(duì)于 V>V min，表示等效輸出電阻 r o 當(dāng)前源的?，F(xiàn)在出現(xiàn)的問題是我們?nèi)绾纹镁w管才能作為特定電流值的電流源運(yùn)行。為此，最廣泛使用的技術(shù)是“電流鏡像技術(shù)”。電流鏡代表一系列許多電路，每個(gè)電路都有特定的特性。
三、電流鏡
偏置晶體管的經(jīng)典方法是使用分壓器，如圖 3.a 所示。
圖 3 a) 通過分壓器的偏置 b) 使用二極管晶體管進(jìn)行偏置
圖3.a的拓?fù)渲?，電阻R 2可以用二極管晶體管代替，如圖3.b所示。出于實(shí)際原因，新拓?fù)浔葓D 3.a 中的拓?fù)涓扇?。此外，它引入了用于偏置晶體管的不同方法，因?yàn)槿鐚⒁境龅?，?duì)于相等的晶體管M 1和M 2，兩個(gè)晶體管處的漏極電流幾乎相等。因此，我們可以認(rèn)為一個(gè)晶體管的漏極電流是另一個(gè)晶體管電流的鏡像。因此，我們可以說圖 3.b 中的電路表示為電流鏡。
電流鏡像技術(shù)也適用于雙極技術(shù)，廣泛用于模擬電路的設(shè)計(jì)。它們簡化了電路設(shè)計(jì)，特別是在使用多個(gè)鏡子時(shí)，并在設(shè)計(jì)中提供了相當(dāng)大的靈活性。
圖4 a) BJT電流鏡 b) MOS電流鏡
圖4b電路中的晶體管M 1 和M 2具有公共電壓V GS。因此，漏極電流定義為：
忽略溝道長度調(diào)制( λ =0)，結(jié)果是，
或者，
因此，對(duì)于相同尺寸的晶體管，兩個(gè)晶體管上的電流幾乎相等。此外，不同尺寸的晶體管可以獲取電流的多個(gè)副本。因此，晶體管的幾何形狀定義了鏡像比。晶體管的幾何形狀是IC電路設(shè)計(jì)中獨(dú)特的設(shè)計(jì)參數(shù)。
上面的討論是對(duì)鏡子實(shí)際操作的近似研究。實(shí)際上，通道調(diào)制對(duì)鏡子分支中的電流有相當(dāng)大的影響，如圖 5 所示的仿真結(jié)果所示。
圖5 圖4.b中鏡子中兩個(gè)晶體管的電流
為了克服簡單電流鏡的各種缺陷，文獻(xiàn)中出現(xiàn)了許多改進(jìn)的電路。最簡單的修改是在晶體管M 1中添加反饋源電阻，如圖6.a所示
a) b)
圖6 高輸出電阻電流鏡
四、電流鏡作為電流放大器
電流鏡可在各種應(yīng)用中用作電流放大器 。
在大多數(shù)應(yīng)用中，電流放大器作為低增益放大器運(yùn)行，沒有總體反饋。電流放大器的頻率帶寬遠(yuǎn)高于電壓放大器的頻率帶寬，并且約為所用晶體管的f T的量級(jí)。 帶寬幾乎與放大器的增益無關(guān)。此外，電流放大器結(jié)構(gòu)非常簡單，可以采用 CMOS 或 BJT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)為集成電路。
基于簡單電流鏡的電流放大器
圖 7.a 顯示了基于電流鏡 (CM) 的電流放大器拓?fù)洹D 7.b 顯示了基于我們已經(jīng)研究過的簡單電流鏡的電流放大器電路。為了簡化電路的研究，兩個(gè)晶體管的偏置都是通過固定值電流源I 1和I 2來實(shí)現(xiàn)的。
圖7 a) 基于電流鏡的電流放大器拓?fù)?nbsp; b) 基于簡單電流鏡的電流放大器
對(duì)于圖7中的電路。b 是,
如果 k 是鏡像比，那么，
和，
由于 I 1和I 2是理想電流源，
最后，
因此，輸出電流是輸入電流的倍數(shù)。因此圖7.b中的電路是一個(gè)反相電流放大器。圖7.b中的電流放大器也可以用作直流放大器。
放大器的交流等效電路如圖8所示。
圖8 圖7.b中放大器的交流等效電路
對(duì)于圖8中的電路來說，
或者，
據(jù)此，
即放大器的等效輸入電阻與M 2的跨導(dǎo)成反比。因此R in 取決于M 2的偏置電流。偏置電流越高，輸入電阻越低。
輸出電流為，
或者，
上面的表達(dá)式與我們之前發(fā)現(xiàn)的結(jié)果是一致的。
等效輸出電阻為，
M 1的偏置電流越低，輸出電阻越高。
輸入電流i in 的最大值約為M 2的偏置電流。因此，電流放大器放大一些微安的電流。通過使用對(duì)稱鏡而不是簡單鏡可以顯著提高電流放大器的動(dòng)態(tài)范圍。
基于單電流鏡的電流放大器的實(shí)際電路如圖9所示。
圖9 ACMOS電流放大器
圖10 圖9中放大器的頻率響應(yīng)
放大器的帶寬幾乎與放大器的增益無關(guān)(圖10)。
電流放大器的Spice輸入文件(圖9)
一種基于對(duì)稱電流鏡的電流放大器
為了提高電流放大器的動(dòng)態(tài)范圍，使用了對(duì)稱共源共柵電流鏡，如圖 11 所示。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，輸入電流可以遠(yuǎn)高于偏置電流。該放大器還可設(shè)計(jì)用于低壓低功耗運(yùn)行。
圖11 基于對(duì)稱共源共柵電流鏡的電流放大器
(對(duì)于 k=1 ，所有 PMOS 的 W/L=1.05，所有 NMOS 的 W/L=0.47)
圖12 A) 圖11中放大器的瞬態(tài)響應(yīng)
圖12 b) 傳輸特性( Ibias =100nA，k=1)
電流放大倍數(shù)定義為，
