如何构建电流镜像电路

零件和材料

• 两个 NPN 晶体管——推荐使用 2N2222 或 2N3403 型（Radio Shack 目录号 # 276-1617 是一个包含 15 个 NPN 晶体管的封装，非常适合此实验和其他实验）
• 两节 6 伏电池
• 一个 10 kΩ 电位器，单圈，线性锥度（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，以便能够在实验的后期体验“热失控”。在这些低电流水平下，较大的“功率”晶体管可能不会表现出相同的行为。但是，任何 一对相同的NPN晶体管可用于构建电流镜。

请注意，并非所有晶体管都具有相同的端子名称或引脚 ，即使他们有相同的外表。

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），可从制造商的网站轻松获取。请注意，晶体管的封装甚至制造商的数据表可能会显示错误的端子识别图！

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。关于如何使用万用表识别双极晶体管端子的详细信息，请参阅本系列丛书半导体卷（卷三）第4章。

交叉引用

电路课程 ，第 3 卷第 4 章：“双极结晶体管”

学习目标

• 如何构建电流镜电路
• 电流镜电路的电流限制
• BJT 的温度依赖性
• 体验可控的“热失控”情况

原理图

插图

说明

电流镜可以被认为是一个可调电流调节器 ，电流限制可通过单个电阻轻松设置。这是一种相当粗糙的电流调节器电路，但因其简单而被广泛使用。

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局限性。按照原理图和插图构建电路。

您将有一个额外的 1.5 kΩ 固定值电阻器来自零件清单中指定的零件。您将在本实验的最后部分使用它。

电位器设置通过晶体管 Q1 的电流量。该晶体管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常规二极管？因为匹配很重要 这两个晶体管在电流镜电路中使用时的结特性。 Q1 基极-发射极结上的压降施加在另一个晶体管 Q2 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 - 发射极结上的电压相同——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，因此基极电流相等意味着集电极电流相等。

所有这一切的实际结果是 Q2 的集电极电流模仿电位计通过 Q1 集电极建立的任何电流大小。换句话说，电流通过 Q2 镜子 通过 Q1 的电流。负载电阻（Q2的集电极连接到电池正极的电阻）的变化对Q1的电流没有影响，因此对Q2的基极-发射极电压或基极电流没有影响。

在恒定基极电流和几乎恒定的 β 比值的情况下，Q2 将根据需要降低尽可能多或尽可能少的集电极-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调节 电流为电位器设定的值，与负载电阻无关。

好吧，无论如何，这就是它应该如何工作的。现实并不像您即将看到的那样简单。

如图所示的电路图中，Q2的负载电路通过一个电流表完成到电池的正极，方便电流测量。我没有将电流表的黑色探头牢固地连接到电路中的某个确定点，而是标记了五个测试点 , TP1 至 TP5，供您在测量电流时接触黑色测试探针。

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器。

当您移动电位计机构时，您应该看到安培计指示的一个小的、不断变化的电流：不超过几毫安。将电位器设置在给出整数毫安数的位置，并将仪表的黑色测试探针移至 TP3。

当前指示应该与以前几乎相同。将探针移至 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，然后用仪表的黑色表笔测试点 TP1 到 TP4，注意改变负载电阻时电流指示的稳定性。

这展示了当前的调节 该电路的行为。请注意，目前的规定并不完美。

尽管调节电流几乎 0 到 4.5 kΩ 之间的负载电阻值，在这个范围内有一些变化。如果允许负载电阻升高得太高，则调节可能会更差。

尝试调整电位计以获得最大电流，如连接到 TP1 的电流表测试探头所示。将电位器留在该位置，将仪表探头移至 TP2，然后是 TP3，然后是 TP4，最后是 TP5，注意每个连接点的仪表指示。

应将电流调节为几乎恒定的值，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 Q2 的电路中插入了太多的负载电阻。简而言之，Q2 不能再“开启”，因为它无法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是有限的 .这是有道理的，因为任何电流调节器电路都能够通过任何提供恒定量的电流 可以想象的负载电阻需要无限的电压源才能做到！

欧姆定律 (E=IR) 规定了推动给定电流通过给定电阻所需的电压量，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肯定是存在于该电路中。出于这个原因，将电流调节器电路视为电流限制器可能会有所帮助 电路，他们真正能做的就是将电流限制在某个最大值。

通常，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”取决于这两个具有完全相同特性的晶体管的基极-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度 . PN 结越热，对于给定的电压降，它通过的电流就越大。

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，电路将不再像预期的那样“镜像”电流。使用分立晶体管构建实际电流镜电路时，应将两个晶体管用环氧树脂胶粘在一起（背对背），使它们保持大致相同的温度。

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，松开晶体管并对其吹气以将其冷却至环境温度。把握其他 用手指夹住晶体管加热。

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观察其影响。

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，用 1.5 kΩ 电阻器替换 10 kΩ Rlimit 电阻器。这将允许更高的电流通过 Q1，从而也通过 Q2。

将电流表的黑色探头放在 TP1 上并观察电流指示。朝电流增加的方向移动电位器，直到通过电流表读取大约 10 mA。

此时，停止移动电位器，只观察电流。您会注意到电流开始自行增加，无需进一步移动电位器！

当电流超过 30 mA 时，通过从 TP1 上取下仪表探头来断开电路，以避免损坏晶体管 Q2。如果你用手指仔细触摸两个晶体管，你会发现 Q2 是热的，而 Q1 是凉的。

警告： 如果让 Q2 的电流“跑掉”太远或时间太长，它可能会很热 ！触摸过热的半导体元件可能会严重灼伤您的指尖，因此请注意此处！

刚刚发生了什么使 Q2 过热并失去电流控制？通过将电流表连接到 TP1，去除了所有负载电阻，因此 Q2 在调节电流时必须降低集电极和发射极之间的电池电压。

晶体管 Q1 至少有 Rlimit 的 1.5 kΩ 电阻来降低大部分电池电压，因此其功耗远小于 Q2。这种功率耗散的严重不平衡导致 Q2 发热超过 Q1。

随着温度升高，对于相同数量的基极-发射极压降，Q2 开始通过更多的电流。这导致它升温得更快，因为它通过更多的集电极电流，同时仍然降低集电极和发射极之间的 12 伏电压。

这种效应被称为热失控 ，并且在许多双极结型晶体管电路中是可能的，而不仅仅是电流镜。

计算机模拟

SPICE 节点编号示意图：

网表（制作一个包含以下文本的文本文件，逐字逐句）：

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 

Vammeter 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 只能识别组件名称的前八个字符。 “vammeter”这个名字是可以的，但如果我们在电路中包含多个电流测量电压源，并将它们分别命名为“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。

在更改网表或编程您自己的 SPICE 仿真时要记住一些事情！您必须在此仿真中尝试不同的 Rload 电阻值，以了解电路的电流调节特性。

Rlimit 设置为 10 kΩ 且电源电压为 12 伏时，通过 Rload 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？），宽负载电流保持在 1.1 mA 负载电阻范围。然而，如果负载电阻增加超过 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。

相关工作表：

• 稳压电源工作表

• 差动晶体管放大器工作表