電路理念/如何反轉電流方向
電路理念：將反向和正向電壓到電流轉換器一個接一個地連線。
關於著名的電流映象電路及其版本，有很多專業的出版物。[1] 只是，通常情況下，它們看起來很正式、專業和“無趣”。這些資料提供了很多關於電流映象版本的資訊，但它們沒有展示其背後的基本原理。
我們的使命。我們，電路理念者，在華夏公益教科書中有不同的“使命” - 揭示電路背後的理念。我們知道，在詳細展示如何計算一個電子電路之前，我們首先需要展示這個電路背後的基本原理。在電路理念中，我們嘗試這樣做，僅僅依靠我們的直覺、想象力和常識。
簡單而複雜的電流映象。乍一看，電流映象看起來很簡單（圖 1）；但實際上，這是一個奇怪、陌生、奇特的電路，從未得到過解釋（只有一點猜測）。這是一個很大的悖論，每個人都知道電流映象是什麼，但沒有人知道它是如何工作的。
通常，經典的電流映象解釋從斷言電流設定電晶體 Q1 充當二極體開始。但說“輸入電晶體 Q1 是一個二極體”非常原始和令人困惑。實際上，它不是二極體；它恰恰是一個在主動模式下工作的電晶體。如果它的集電極斷開，它就是一個二極體。然後所有的電流 IREF = VCC/R（R 在圖片上省略了）將流過基極-發射極結，實際上充當二極體。但這裡電晶體的輸出集電極-發射極部分與基極-發射極“二極體”並聯。這樣，它就充當了一個分流調節元件，將大部分（β/(1 + β)）電流分流。但電晶體是如何以及為什麼做出這種魔法的呢？
這種排列中有一些奇怪和令人困惑的東西... 眾所周知，基極-發射極電壓 VBE 是雙極電晶體的輸入量，集電極電流 IREF 是輸出量。但這裡所有情況都相反 - 集電極電流是輸入量，基極-發射極電壓是輸出量！?!? 這是什麼蠢事？
需要回答的問題。為了理解這個奇怪的電路，我們需要回答很多從未得到過回答的問題。這裡有一些問題。
電晶體 Q1 在這個電路中做什麼？它在那裡的作用是什麼？它與二極體有什麼區別？我們可以用一個裸二極體或基極-發射極結（讓集電極斷開）來代替它，就像另一個電流映象故事中所展示的那樣？[2] 為什麼以及如何讓集電極電流 IREF 充當輸入量，而基極-發射極電壓充當輸出量（我們認為基極-發射極電壓 VBE 是雙極電晶體的輸入量，而集電極電流 IREF 是輸出量）？電晶體 Q2 在這個電路中做什麼？它在那裡的作用是什麼？當我們改變輸入電流 IREF（輸入電壓 VREF、“程式設計”電阻 RREF 和負載電阻 RL）時，集電極電壓是如何變化的？
由於沒有對這些問題的令人滿意的答案，讓我們暫時忘記所有型別的“教條式”引用，並嘗試自己揭開這個著名電路的神秘面紗。忘記它們，開始自己思考吧！
我們的故事似乎不會基於“可驗證的來源”，因為沒有這樣的來源；所以，有人會說這是一個原創研究。只是，我們會努力解釋這個著名的電路，使其簡單、清晰、明確，以至於不需要驗證這些說法。順便說一下，NOR[3] 規定了這種可能性 - 使用來源，“其準確性可以被任何有理的成年人（沒有專業知識）輕易驗證”。
在電路中，特別是在微電子領域（例如，運算放大器內部），有時我們需要反轉電流的方向（使流入電流變為流出電流，反之亦然 - 使流出電流變為流入電流），而不改變其大小。這樣，輸出電流只跟隨、"複製"輸入電流，但這個副本是反轉的、“映象”的。換句話說，輸入電流“程式設計”輸出電流，整個電路充當一個可程式設計電流源（電流控制或依賴電流源）。
顯然，為了做到這一點，這樣一個電流方向反轉器（有一個更流行的名字 - 電流映象）必須至少是一個三端器件（圖 2）。原因是，兩個進入的電流必須從某個地方“流出”（圖 2a），反之亦然，兩個流出的電流必須從某個地方“流入”（圖 2b）。在這種排列中，一個引腳充當輸入，另一個充當輸出，第三個充當公共端（通常連線到正軌或負軌，更少見的是連線到地）。
基本結構。在電子學中，我們有兩種型別的電路產生或更常見的是僅僅控制電流 - 電流源和電流匯。它們之間的區別是，關於某個電路點，源“注入”電流，而匯“吸收”電流。顯然，為了將上面的通用佈置（圖 2）應用到具體的電流映象中，我們需要這兩種電路。通常，這些電路是電壓控制的；因此，為了用電流控制它們，我們需要在它們之前連線電流到電壓轉換器。現在讓我們畫出兩種可能的電流映象佈置的框圖。
如果我們有一個電流源，我們將輸入電流（“進入”電流映象）轉換為電壓，然後使用這個電壓來控制一個電流匯；結果，我們得到一個電流匯（圖 3a）。相反，如果我們有一個電流匯，我們將輸入電流（“流出”電流映象）轉換為電壓，然後使用這個電壓來控制一個電流源（圖 3b）；結果，現在我們得到一個電流源。我們已經可以得出這個基本電流映象結構的概括
特性。 兩個轉換器可能是線性的（那麼 IOUT = V/R = IIN.R/R = IIN），但這不是必須的。它們可能是具有任何傳遞特性或 I-V 特性的非線性器件，這些特性甚至可能取決於其他量（例如，溫度）；唯一的要求是它們的特性相反。這樣，如果一個轉換器實現一個函式 y = f(x)，另一個轉換器表示逆函式 x = f -1(y)，則整個函式為 y = f(x) = f(f -1(y))。請注意，這兩個轉換器可以按任何順序連線，包括直接連線在反向連線之後（圖 4）。乍一看，這個結果似乎很奇怪，沒有道理，但這樣就解決了主要問題——反轉電流方向。因此，我們可以得出以下結論
簡單的反轉。 通常，沒有一對直接和反向轉換器，我們只有一種轉換器。如果這是一個可逆轉換器，我們可以將其用作直接轉換器，然後連線另一個相同型別的轉換器，方向相反，以獲得反向轉換器。
負反饋反轉。 問題是當轉換器不可逆，它是一個簡單的單向器件時。在這種情況下，我們不能交換電路的輸入和輸出埠；我們不能將輸入量施加到電路輸出，並從電路輸入獲得輸出量（不幸的是，這就是我們的情況）。然後，唯一的方法是應用無處不在的負反饋來“反轉”電路。只有具有負反饋的系統才具有反轉輸入和輸出量之間因果關係的獨特特性。它們調整其內部輸入量，使其內部輸出量等於“真實”外部輸入量。結果，內部輸入量跟隨外部輸入量，取決於外部輸入量；實際上，內部輸入量充當外部輸出量。這樣，它們可以“反轉”物件。
一旦揭示了普遍的思想，我們就可以建立任意數量的電流映象電路（這就是這種啟發式方法的強大之處）。在所有這些版本中，只有電子元件（BJT、FET、運算放大器等）不同；它們背後的基本思想是一樣的。好吧，讓我們從其中最流行的一種開始——基本的 BJT 電流映象。
我們可以透過電壓或電流驅動雙極型電晶體。如果我們將基極-發射極電壓作為輸入，並將集電極電流作為輸出（圖 5），我們可以將 BJ 電晶體視為具有指數特性的非線性電壓到電流轉換器。因此，我們可以直接將其用作我們簡單的 BJT 電流映象的輸出部分
操作。 電晶體 T2 在這種配置中如何工作？為了瞭解，讓我們進行一個實驗——設定一個恆定的輸入電壓 VREF = 0.5 ÷ 0.7V，然後改變負載電阻 RL（同樣，您可以改變電源電壓 V2，甚至同時改變電阻 RL 和電壓 V2）。結果令人驚訝——電晶體改變了它在集電極和發射極之間的當前電阻 RT2，以便保持一個恆定的總電阻 Rtot = RL + RT2 = const（圖 6）。結果，輸出電流保持恆定 IOUT = V2/Rtot。這樣，電晶體 T2 的輸出集電極-發射極部分充當電流穩定非線性電阻器。通常人們說電晶體 T2 充當一個簡單的電流吸收器。
現在，我們需要讓 BJ 電晶體充當所需的相反的電流到電壓轉換器。只是，我們不能直接“反轉”它，因為電晶體是一個單向器件，其基極-發射極結可以控制集電極電流；相反的事情是不可能的。我們該怎麼辦？
我們已經知道解決方法——它被稱為負反饋。在我們的例子中，這意味著讓電晶體調整其基極-發射極電壓“VOUT”，使集電極電流為 IIN = V1/R。為此，我們只需要將它的集電極連線到它的基極，以便應用“100% 並聯負反饋”（圖 7）。結果，雖然看起來很奇怪，但在這個“反向”電晶體中，集電極電流充當輸入量，而基極-發射極電壓充當輸出量！
但是電晶體 T1 在這種配置中如何工作？為了瞭解，讓我們進行另一個實驗——設定一個恆定的輸入（電源）電壓 V1，然後改變輸入電流設定電阻 R（同樣，您可以改變輸入電壓 V1，甚至同時改變電阻 R 和電壓 V1）。
結果比之前更令人驚訝——現在，電晶體改變了它在集電極和發射極之間的當前電阻 RT1，以便保持幾乎恆定的電阻比 K = RT1/(RT1 + R) = const。結果，輸出電壓保持幾乎恆定 VOUT = VCE1 = VBE = const（圖 8）。這樣，電晶體 T1 的輸出集電極-發射極部分充當電壓穩定非線性電阻器。但這正是製作各種有源二極體（“普通”、“齊納” 或 “橡膠”，可調節……）的秘訣！真是太神奇了！並聯負反饋使電流穩定電阻器（T1 的輸出部分）表現為電壓穩定電阻器！這是同一個電晶體，但在第一種情況下，它充當電流穩定元件，而在第二種情況下，它充當電壓穩定元件。
同時，輸入電壓源 V1 和電流設定電阻 R 形成一個組合的電流源，該電流源“想要”透過一個電壓穩定元件（電晶體 T1）產生電流 IIN = V1/R。順便說一下，一些神秘的共源共柵電路基於相同的結構（電流源供電給電壓穩定元件，反之亦然）。有趣的是，在這種情況下，電壓穩定元件會改變其當前電阻，以“幫助”電流源建立所需的電流。例如，如果我們減小電阻 R 以增加電流，電晶體 T1 也會減小其當前電阻，從而幫助我們增加電流，反之亦然。這樣做，電晶體 T1 會調整其基極-發射極電壓，使集電極電流始終為 IIN = V1/R。結果，雖然看起來很奇怪，但集電極電流充當輸入量，而基極-發射極電壓充當輸出量！負反饋反轉了單向電晶體！
有趣的是，要發現電晶體 T1 如何設法達到平衡點（具有負反饋的系統總是會達到平衡）。為此，讓我們首先改變輸入電壓 V1 的幅度或電阻 R。電晶體對這種“干預”的反應是改變其當前電阻 RT1……但持續到什麼時候？為了理解，讓我們做一個有趣的實驗——斷開反饋迴路，並透過一個單獨的電壓源“VOUT”驅動“真實”的基極-發射極電晶體輸入（圖 9）。然後，讓我們開始增加/減少“真實”電晶體的輸入電壓“VOUT”；作為回報，電晶體將開始透過減小/增加其當前電阻 RT1 來降低/升高其集電極電壓 VC1。形象地說，這兩個電壓“相互移動”。為了模仿負反饋行為，我們必須在兩個電壓相等時停止改變“VOUT”（連線在集電極和基極之間的零指示器可以顯示這一點）；這就是平衡點。現在，如果我們短路零指示器（將集電極連線到基極，或者用他們的話說，閉合反饋迴路），系統將保持靜止，因為它處於平衡點。
順便說一下，還有一個自相矛盾的電路可以做到同樣的事情，但它幾乎是完美的——基於所謂跨阻抗放大器（一個連線在運算放大器反饋迴路中的 BJT 電晶體）的對數轉換器[4]。就像這裡一樣，在這個奇怪且從未解釋過的電路配置中，集電極電流充當輸入量，而基極-發射極電壓充當輸出量？！唯一的區別是，還有一個額外的運算放大器調整電晶體的基極-發射極電壓，使它的集電極電流正好等於輸入電流。運算放大器透過觀察虛地點並將它保持在（幾乎）等於零來實現這種神奇的效果。
最後，我們只需要將輸入部分的輸出（T1 的基極-發射極結）連線到輸出部分的輸入（T2 的基極-發射極結），就可以構建出著名的 BJT 電流鏡電路！
+
=
唯一的問題是電晶體 T2 從輸入電流中“吸取”了另一個基極電流 IB。因此，輸出電流小於輸入電流。
為什麼使用這種嚴格的啟發式方法——逐步構建而不是給出“一成不變”的經典電路？好處是，我們現在可以構建各種電流鏡電路，只需要瞭解一個強大的通用概念！我們知道電晶體 T1 和 T2 在這個電路中的作用；我們瞭解基本電流鏡電路的真相！