電路原理/威爾遜電流鏡如何保持電流
電路原理： 透過“複製”負載電流並將其轉換為電壓，實現從發射極到基極的電流保持反饋。
我們可以從兩個方面考慮威爾遜電流鏡的行為。一方面，當我們改變輸入量（輸入電壓、電阻 R 或實際上是輸入電流）時，電流鏡表現為一個電流跟隨器。在這種情況下，我們在之前的文章中考慮過，重要的是輸出電流要精確地跟隨輸入電流。另一方面，如果我們改變輸出量（電源電壓、負載電阻或電壓），電流鏡表現為一個恆流源。在這種情況下，重要的是電路能夠保持穩定的電流。那麼，我們現在來討論第二個方面。
簡單 BJT 電流鏡的輸出部分利用了雙極型電晶體的基本特性，如果我們保持其基極電壓或電流穩定，它會表現為一個電流穩定電阻。實際上，與電源一起，電晶體構成了一個電流源或電流匯。電晶體是如何做到這一點的？例如，如果負載電阻 RL 變化，電晶體會改變其集電極和發射極之間的瞬時電阻 RT，以保持恆定的總電阻 Rtot = RL + RT = const（圖 1）。
僅僅由於早期效應，輸出部分並不能表現為一個理想的恆流源；這是簡單電流鏡的第二個缺陷，我們現在需要改進。
我們可以透過應用各種巧妙的“技巧”[1] 使輸出電晶體保持恆定電流，但負反饋 是其中最可靠的一種。那麼，我們如何在簡單電晶體級中引入這種“電流保持”的負反饋呢？讓我們開始思考...
我們有一個電晶體，它透過改變其集電極和發射極之間的瞬時電阻來控制流經負載的電流...引入“電流保持”負反饋意味著什麼？如果電流由於 RL 或 VCC 的變化而試圖改變，會發生什麼？顯然，如果負載電流試圖增加，電晶體必須更加閉合（以增加其集電極-發射極之間的瞬時電阻 RT），從而恢復到之前的電流大小。反之，如果負載電流試圖減小，電晶體必須更加開路（以減小其集電極-發射極之間的瞬時電阻）——圖 2。為簡單起見，從現在開始，我們只考慮第一種情況（負載電流增加）。
為了使電晶體實現這一點，我們必須將負反饋迴路從負載電流流過的輸出電路閉合到電晶體的輸入端。電晶體的輸入端是什麼？基極-發射極結（柵極-漏極部分）用作差分電壓輸入；但是，以地為參考，電晶體有兩個單端電壓輸入——發射極和基極。因此，我們可以透過將一個與負載電流成正比的電壓分別施加到發射極和基極，引入兩種負反饋。
首先，我們可以固定基極電壓，從發射極驅動電晶體。為此，我們將一個參考電壓源 VREF 連線到基極，並在發射極連線一個電流-電壓轉換器，產生與負載電流 IL 成正比的電壓（圖 3）。
一個裸電阻 RE 可以用作簡單的電流-電壓轉換器（圖 4）。由於輸出量（電壓降 VRe）與輸入量（電壓 VREF）串聯施加，這種保持恆定電流的常用技術被稱為串聯負反饋或“發射極退化”。
僅僅，電壓降 VRe 會限制負載上的最大電壓降（所謂的順從電壓）。那麼我們該怎麼辦呢？
但是，你有沒有想過，我們可以固定發射極電壓，並從基極驅動電晶體，以同樣的成功率？讓我們試試！也許，這將引導我們得到我們想要的威爾遜電流鏡...為了實現這個想法，我們再次需要一個產生與負載電流成正比的電壓的元件，即電流-電壓轉換器。但是現在，電流流過一個地方（發射極），而電壓必須施加到另一個地方（基極）！因此，我們需要的不是一個簡單的“電阻”I-to-V 轉換器；我們需要一種“跨阻”I-to-V 轉換器。我們該如何製作？威爾遜是如何解決這個問題的？
靈機一動！我們可以將負載電流 IL “複製”到所需的位置，然後透過一個電阻，以產生一個與 IL 成正比的電壓降（圖 5）。然後，我們來做吧！為此，我們將一個 I-to-V 轉換器連線到發射極，它驅動一個反向 V-to-I 轉換器。正如你所看到的，正向和反向轉換器實際上構成了著名的簡單電流鏡。它會產生一個 IL 的“副本”，該副本流過連線到基極的傳統電阻式 I-to-V 轉換器（圖 6）。這樣，透過電流鏡和電流-電壓轉換器，我們再次應用了一個電流保持的負反饋。
威爾遜電流鏡由一個簡單電流鏡和一個連線在反饋迴路中的電流-電壓轉換器組成。
正如上面所述，一個裸電阻 R 可以用作最簡單的電流-電壓轉換器（圖 7）。實際上，它充當圖 4 中的發射極“退化”電阻 RE。僅僅，這裡不是“原始”負載電流 IL 流過電阻 R，而是該電流的“副本” IR = IL。電阻 R 上的電壓降 VR，或者更嚴格地說，是其對 VCC 的補充電壓，是電晶體 T3 的輸入電壓。
為了確定這個奇怪的電路是否表現為恆流源，我們必須以某種方式“激發”它，並觀察它對我們“干預”的反應。那麼，我們如何“激發”它呢？例如，讓我們研究一下如果改變負載電阻 RL，電路將如何反應。在開始時，假設兩個電路支路的電流 IL = IR 相等，這是正常的電路狀態。
如果我們增加 RL，負載電流 IL 就會試圖減小。這個電流是簡單電流映象 T1，T2 的輸入量；因此，它的輸出量 IR 也會減小。結果，電壓降 VR 減小，其補充 VCE2 增加。電晶體 T3 的輸入電壓 VBE3 增加；它開始更多地開啟，直到負載電流恢復到之前的幅度。
電晶體 T3 實際上保持了什麼？它保持一個恆定的基極-發射極電壓 VBE。如果我們把這個電路看作一個負反饋穩壓器，VBE 是它的輸入參考量，電晶體 T3 保持這個量恆定。這樣做，它實際上保持了穩態電阻 R 上的恆定電壓降 VR；因此，電流 IR 和 IL 也保持恆定。
關於威爾遜電流映象的大多數資源都沒有注意到電路中的任何反饋。其中一些[2] 發現了兩個正反饋，而另一些[3] 發現了兩個負反饋。但實際上，在這個複雜的電路中，存在多達三個負反饋！讓我們試著去看看它們。
1. 區域性反饋 - T1 的集電極和基極之間的導線。它反轉 T1，使其充當對數電流到電壓轉換器，而不是 BJT 本身固有的反對數電壓到電流轉換器。[4] 這是一種並聯恆壓保持負反饋。
2. 更全域性的反饋 - 整個有源二極體（T1 + 其集電極和基極之間的導線）連線在 T3 的發射極。這是一種串聯恆流保持反饋（發射極退化）。只是，由於有源二極體表現為電壓穩定元件（顯著的電流變化會導致微不足道的電壓變化），因此它對於保持恆流的影響可以忽略不計。
3. 全域性負反饋 - 它由簡單電流映象（T1 和 T2）和充當簡單電流到電壓轉換器的電阻 R 構成。它是保持電流恆定的重要負反饋；我們已經在上面討論過它。
- ↑ 重新發明恆流源揭示了恆流源背後的哲學。
- ↑ 電流映象顯示了威爾遜電流映象如何保持幾乎恆定的輸出電流。有趣的是，作者更喜歡說“正”而不是“負”反饋。
- ↑ 透過負反饋方法理解威爾遜電流映象顯示了兩個負反饋的存在。
- ↑ 如何反轉電流方向是我們關於簡單 BJT 電流映象的故事。
Paul Horowitz, Winfield Hill. 電子藝術，第二版，第 89 頁。 ISBN 0521370957.
Mechkov C.，消除威爾遜電流映象中的早期效應，第四屆國際會議 - 2008 年計算機科學，2008 年 9 月 18-19 日，希臘卡瓦拉。這與這裡介紹的內容相同，但寫得更加正式。
維基百科的這篇詞條是電路領域中正式方法的一個典型例子
類比電子 來自華夏公益教科書，採用了相同的方法
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