電路構想/威爾遜電流鏡如何使電流均衡
電路構想： “移動”一個基極電流，從電路的輸入端到輸出端。
揭示流行的BJT電流鏡背後的理念是一個挑戰；[1][2][3][4] 但揭示傳奇的威爾遜電流鏡（圖1）的奧秘是一個巨大的挑戰！也許，沒有什麼比威爾遜電流鏡更簡單（只包含三個電晶體）和同時又難以理解和誤解的電路了。有很多資源嘗試透過使用正式方法來解釋這個複雜的、巧妙的和優雅的電路解決方案。但它們沒有給我們最需要的，首先，作為人類 – 這種奇怪、陌生和奇特的電路背後的基本理念。在沒有了解電路背後基本理念的情況下計算電路是一個巨大的悖論！所以，在詳細展示如何計算電子電路之前，我們首先要展示電路背後的基本理念是什麼。
檢視電路圖（圖1），我們需要回答數十個從未得到回答的問題。
電晶體Q3 在這個電路中起什麼作用？它在那裡的功能是什麼？為什麼這個電流鏡包含另一個更簡單的電流鏡Q1 和Q2 （為什麼一個額外的簡單電流鏡巢狀在主電流鏡中）?!?!它的功能是什麼？但為什麼這個簡單電流鏡被反轉了（為什麼電晶體Q1 和Q2 被交換）？為什麼Q1 的集電極電流作為輸入量，而Q2 的集電極電流作為輸出量（我們認為Q2 的集電極電流是輸入量，而Q1 的集電極電流是輸出量）？威爾遜電流鏡中是否有負反饋？如果有，它們是什麼？有多少個負反饋？它們的功能是什麼（為什麼它們被包括進來）？它們控制什麼和如何控制 – 電壓或電流？威爾遜電流鏡與發射極退化電流鏡相比有哪些優點？威爾遜電流鏡如何保持幾乎恆定的電流（為什麼它具有幾乎無限的輸出阻抗）？為什麼輸入電流和輸出電流幾乎相等（訣竅是什麼）？MOSFET威爾遜電流鏡與簡單的MOSFET電流鏡相比是否有優勢？
由於以上問題沒有令人滿意的答案，讓我們嘗試自己揭開這個著名電路的神秘面紗；讓我們主要依靠我們的直覺、想象力和常識來回答這些問題。請，忘記所有“一成不變”的引用，開始自己思考，在這裡進行激動人心的討論！
理解和展示電子電路的最佳方式是重新發明它們，展示電路的演變。[5][6] 所以，讓我們想象一下威爾遜是如何透過重新發明和構建他的電流鏡，以便掌握電路背後的基本理念，然後以一種吸引人的方式呈現給讀者。當然，如果威爾遜本人，如果他還活著，能夠揭示他發明這個著名電路的過程，那將是美妙的。只是，眾所周知的是，通常情況下，由於各種原因，發明家不願意公開他們的發明過程。[7]
BJT. 簡單BJT電流鏡（圖2）有兩個主要的缺陷：首先，由於電晶體Q1 和Q2 從輸入電流中“吸取”的兩個基極電流，輸出電流與輸入電流不同；其次，由於早期效應，當輸出（負載）電壓改變時，輸出電流會變化。這些是完全不同的問題；它們之間沒有任何聯絡。威爾遜很聰明；在20世紀60年代初期，他“一石二鳥” – 只在簡單的電流鏡中添加了一個電晶體，就成功地消除了簡單BJT電流鏡的兩個缺陷！
MOSFET. 簡單的MOSFET電流鏡只存在第二個缺陷，因為沒有柵極電流。即使在這種情況下，威爾遜的理念也是有益的；它使MOSFET威爾遜電流源能夠保持恆定的輸出電流（參見另一個關於這個著名電路的故事）。
為了證明電流鏡的名稱，在這個電路中，輸出電流必須精確地跟隨輸入電流。因此，關於電流幅度，電流鏡實際上是一個電流跟隨器。威爾遜電流鏡非常接近地滿足了這一要求。在這裡，我們將展示威爾遜電流鏡如何消除輸入電流和輸出電流之間的差異。
在我們的日常工作中，我們經常需要將兩個大小不同的量進行均衡。例如，讓我們仔細研究一個常見的機械類比：想象一下，在一個普通的機械秤的兩側分別放有兩堆砝碼 - 為了具體起見，左側放了 4 克，右側放了 6 克（圖 3）。由於它們之間相差 2 克（4 < 6），所以秤是不平衡的（向左傾斜）。如果我們假設一個基極電流對應 1 克，則這個機械類比對應於一個簡單的 BJT 電流映象電路（圖 4a），該電路由 β = 4 的電晶體組成（圖 4b）。問題是如何使這兩個砝碼，或者說這兩個電流相等。
更一般地說，更準確地說，我們希望建立一個原始量的副本，但在我們複製之前，原始量會丟失兩個實體。問題是如何彌補損失。
為了達到這個目的，讓我們嘗試以更具吸引力的方式來展示這個傳奇電路及其工作原理背後的理念。我們知道，為了理解電路背後的理念，我們可以視覺化 電壓和電流等電氣量，使用電壓條和電流環。在電流映象的情況下，展示電流的流動方向並可視化其大小非常有趣。因此，我們可以在本節中繪製兩種型別的圖。第一個圖放在頁面左側，將表示相應的電路圖，併疊加電壓和電流“圖”。第二個圖放在頁面右側，將透過粗細與其對應電流的大小成比例的粗線來視覺化電流的大小。
讓我們從以這種有吸引力的方式展示簡單的 BJT 電流映象開始（圖 4）。你可以在左邊的圖（圖 4a）上看到電流的流動方向，特別是電晶體如何“吸”走兩個基極電流。電流由閉合迴路表示（每個電流都從它開始的地方結束）。右邊圖（圖 4b）上的線實際上是圖 4a 中閉合電流回路的一部分。為了方便起見，電晶體的 β 極低（在本圖中 β = 4），以便透過足夠粗的線來展示基極電流。
透過“推動” 2IB 到 IIN 來使電流均衡...
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我們如何解決簡單的 BJT 電流映象中兩個“吸”走 IB 的問題？讓我們從依靠人類常識開始思考...
我們從日常生活經驗中瞭解到補償這一偉大的理念：如果某些“東西”損失了，我們可以透過新增相同數量的這種“東西”來彌補損失。在我們的機械類比中，我們只需從砝碼盒中取出 2 克，並將它們新增到左側托盤，以使秤保持平衡（4 + 2 = 6）- 圖 5。
一般而言，我們透過新增兩個專案到原始量中來彌補損失（我們完全校正了原始量）。
好吧，讓我們實踐一下這個簡單的理念！“電氣”地說，由於電晶體“吸”走兩個 IB，我們可能會想到的第一個想法是，當然，新增相同的兩個 IB（圖 6b）。然後 IOUT = IIN - 2IB + 2IB = IIN。為此，我們必須將一個注入電流源 2IB 連線到 T1 的集電極 - 圖 6a（更準確地說，這更像是一個電流穩定電阻，而不是一個電流源）。
唯一的是，它不能是一個普通的恆定電流源，而應該是一個“跟隨”電流源，複製電流 2IB。多麼荒謬！原來我們需要另一個電流映象？！
...透過從 IOUT 中“吸”走 2IB 來進行...
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同樣成功的是，在我們的機械類比中，我們可以從右側托盤中減去 2 克，並將它們放在砝碼盒中，以便再次使秤保持平衡（4 = 6 - 2）- 圖 7。因此，我們可以以類似的方式推斷電路...
一般而言，現在我們透過新增兩個專案到副本中來彌補損失（我們完全校正了副本）。
現在讓我們將這個“機械”理念應用到我們的電路中... 在上面，我們透過將兩個補償基極電流注入到輸入電流（“原始”量）中來進行新增。但同樣成功的是，我們可以透過從輸出電流（“副本”）中“吸取” 2IB 來將它們新增到輸出電流（圖 8b）。現在 IIN = IOUT - 2IB + 2IB = IOUT。在這種情況下，我們必須將一個吸收電流源 2IB 連線到 T2 的集電極（圖 8a）。
和以前一樣，它不能是一個普通的恆定電流源，而應該是一個“跟隨”電流源，複製電流 2IB。
...透過既從 IOUT 中“吸取” IB，又向 IIN“推動” IB 來進行...
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我們幾乎已經觸及了威爾遜電流均衡理念的精髓... 好吧，讓我們繼續思考。建立一個 2IB 並不方便，而產生（源或匯）一個 IB 則更容易。那麼我們該怎麼辦呢？
讓我們再次回到我們最喜歡的機械類比；它可能會幫助我們... 事實上，與其新增多達 2 克到左側托盤，或者減去 2 克從右側托盤，我們只需從砝碼盒中新增 1 克到左側托盤，並從右側托盤中減去 1 克，並將它放在砝碼盒中（4 + 1 = 6 - 1）- 圖 9。
一般而言，現在我們透過新增一個專案到原始量中，並減去一個專案從副本中來彌補損失（我們部分地補償了原始量和副本）。
現在讓我們實踐一下這個有趣的理念... 為此，我們可以將一個注入電流源 IB 連線到正電源軌和 T1 的集電極之間，並將一個吸收電流源 IB 連線到 T2 的集電極和地之間 - 圖 10a。透過這種方式，我們將一個基極電流新增到輸入電流中，並將另一個基極電流新增到輸出電流中（圖 10b）。結果，兩個電流變得相等
...透過將 IB 從 IOUT “移動”到 IIN 來進行...
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我們確實已經觸及了威爾遜電流均衡理念的精髓... 我們可以進一步發展機械類比中強大的理念，即僅將 1 克從右側托盤移動到左側托盤！好吧，讓我們再說一遍：與其在左側托盤中新增 1 克，並從右側托盤中減去 1 克，我們只需將 1 克從左側托盤移動到右側托盤即可使秤保持平衡（4 + 1 = 6 - 1）- 圖 11。但這不僅僅是威爾遜的理念！過去的每個供應商都瞭解並使用過這個巧妙的技巧！
一般而言，現在我們透過將一個專案從原始量（損失之前）移動到副本中來彌補損失。因此，我們部分地補償了原始量和副本；我們重新分配了補償專案。
現在讓我們實踐一下這個巧妙的技巧... 和上面一樣，我們將一個基極電流新增到輸入電流中，並將另一個基極電流新增到輸出電流中（圖 12b）。結果，兩個電流再次變得相等
這就是威爾遜的偉大理念！為了使兩個電流均衡，他只是將一個基極電流從一個支路“移動”到另一個支路！
你不覺得這種連線類似於橋式電路嗎（電流源充當兩個電路支路之間的“橋”）？
實現威爾遜的電流均衡理念
[edit | edit source]一旦我們揭示了威爾遜的絕妙理念，我們只需將其付諸實踐。讓我們繼續思考...
這個神秘的元件是什麼，它可以從電路的一部分消耗 IB，並將其新增到電路的另一部分？當然，對於一個雙極型電晶體來說，沒有什麼比“驢工”更自然的了！它從基極連線點“吸取” IB，並將其新增到發射極電流中。然後，讓我們將一個電晶體 T3 連線到電路的左支路（圖 13a）！
太棒了，現在它從 IOUT 中吸收了電流 IB，並將相同的電流 IB 注入了 IIN（圖 13b）！所以，我們已經成功揭示了神秘電晶體 T3 的作用！
在威爾遜電流鏡電路中，電晶體 T3 將一個基極電流從電路的右側“移動”到左側。.
但是，這種連線存在問題，因為我們無法改變左側的輸入電流（透過改變電阻或電壓）。如果我們試圖這樣做，電晶體 T3 會阻礙我們的干預，從而保持恆定的電流（參見 另一個關於傳奇電路的故事）。讓我們繼續思考。
好吧，電晶體 T3 必須調整其基極電流，以便其集電極電流保持不變，正如我們所希望的那樣。唯一能夠做到這一點的“東西”就是無處不在的負反饋，它保持著幾乎恆定的電壓（這應該與應用於電晶體 T1 的負反饋相同）。
但是，該電路的輸入部分沒有反饋；T3 的集電極和基極之間沒有連線。相反，是由 T3 和 T1 實現的負反饋，它們連線在電路輸出部分的 T2 的集電極和發射極之間（再次參見圖 13a）！那麼我們該怎麼辦呢？
歐里卡！我們可以交換兩個電路分支：輸出部分可以作為輸入部分，輸入部分可以作為輸出部分。因此，我們最終獲得了真正的威爾遜電流鏡（圖 14a）！讓我們得出最終結論。
在威爾遜電流鏡電路中，電晶體 T3 將一個基極電流從電路的左側“移動”到右側。.
- ↑ 討論：電流鏡揭示了簡單電流鏡電路背後的秘密。
- ↑ 如何反轉電流方向揭示了簡單電流鏡的秘密。
- ↑ “二極體”電流鏡是否存在？透過重新發明電流鏡開始揭示電流鏡的秘密。
- ↑ 構建一個 BJT 電流鏡繼續重新發明簡單的 BJT 電流鏡。
- ↑ 電路理念華夏公益教科書背後的哲學
- ↑ 一種啟發式方法來教授類比電子學依賴於人類的想象力、直覺和情感。
- ↑ 為什麼電路理念被隱藏考慮了新電路理念的命運。
保羅·霍洛維茨，溫菲爾德·希爾。 電子學藝術，第二版，第 89 頁。 ISBN 0521370957。好吧，讓我們看看第 89 頁：“...現在 Q2 正在提供輸出電流...” 但是為什麼呢？不幸的是，這些著名的作者也沒有注意到威爾遜電流鏡均衡輸入和輸出電流的非凡特性。
設計模擬晶片。作者對威爾遜說：“...模擬設計人員不會獲得諾貝爾獎，他們會以他們的名字命名一個電路...” 以及關於他的作品：“...巧合的是，三個基極電流抵消了...” 但是怎麼呢？我們想知道！
Mechkov C.，均衡威爾遜電流鏡中的電流， 2008 年計算機科學 會議，2008 年 9 月 18-19 日，希臘卡瓦拉。這與上面介紹的 故事相同，但它寫得更正式一些。
威爾遜電流鏡來自維基百科，是電路設計中正式方法的典型例子。
威爾遜電流鏡來自類比電子學華夏公益教科書使用相同的正式方法。
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