【每日电路赏析】威尔逊电流镜电路

电路

电流镜电路可以用晶体管和MOSFET来搭建，尽管我们可以用这两个简单的有源器件或直接使用一个放大器电路，但其输出并不完美，而且有着自身的局限并依赖于外部因素。所以为了得到稳定的输出，我们必须在电流镜电路上加入另外的技术。

改进基础电流镜电路

改进电流镜电路输出的方法有很多种。比如可以在传统的双晶体管设计上再加入一个或两个晶体管。这些电路使用射极跟随器的配置来解决基极电流失配的问题，我们可以改变电路的结构来平衡输出阻抗。

分析电流镜电路性能一共有三大指标。
1.首先就是静态误差的数量。这是输入电流和输出电流的差异。要想减小其差异相当困难，因为差分单端输出转换的差异与差分放大器的增益将决定共模抑制比和电源。

2.另一大指标就是电流源输出阻抗或者说是输出电导率。这是十分重要的指标，因为当电流源起到有源负载的作用时，它会影响到增益级。而且在不同情况下它也会影响到共模增益。

3.为了电流镜电路的稳定运行，最后一大指标就是来自输入与输出间供电线路的最小电压。

为了改善基本电流镜电路的输出，并考虑到以上三大指标，我们这里需要用到两大电流镜技术——威尔逊电流镜电路和维德拉电流源电路。

威尔逊电流镜电路

这个电路的由来源自于George R. Wilson和Barrie Gilbert两位工程师之间的挑战，他们打算一夜之间想出改进版的电流镜电路，而这场挑战的胜利则落入了George R. Wilson的手中。该改进版的电流镜电路也由他的名字来命名。

威尔逊电流镜电路用到了三个有源器件来接收输入电流，并为输出提供了精准的镜像电流。

以上的威尔逊电流镜电路中，三个有源器件都是BJT再加上一个电阻R1。

电路需要两条假设——一是所有的晶体管都有着相同的电流增益，二是T1和T2的集极电流相等，因为T1和T2相匹配且使用的是相同的晶体管。
因此
IC1=IC2=IC

这也可以适用于基极电流，
IB1=IB2=IB

T3晶体管的基极电流可以由电流增益来计算
IB3=IC3/β…（1）

而T3的射极电流则为
IE3=IC2+IB1+IB2…（2）

如果我们看看上面的原理图，就可以发现T3射极的电流正是T2集极电流加上T1与T2基极电流的和。因此，
IE3=IC2+IB1+IB2
该等式可以被进一步简化为：
IE3=IC+2IB
因此
IE3=（1+（2/β））IC

带入（2）式可得
（（β+1）β）IC3=（1+（2/β））IC
可以将集极电流简化为
IC=（（1+β）/（2+β））IC3…（3）

由原理图可得
IR1=IC1+IB3
而IC1=IC2=IC
所以IR1=IC+IB3
由式（3）和（1）可得
IR1=（（1+β）/（2+β））IC3+IC3/β
简化为IR1=（（1+β）/（2+β）+1/β）IC3
IC3=IR1/（1+2/（β（β+2）））

以上关系式解释了第三个晶体管集极电流与输入电阻间的关系。如果2/（β（β+2））远远小于1的话，那么IC3≈IR1。如果晶体管基射级电压小于1V的话，输出电流则可以轻易算出。
IC3≈IR1=（V1-VBE2-VBE3）R1

所以为了得到合适稳定的输出电流，R1和V1必须选取合适的值。要让电路作为恒流源使用的话，R1需要替换为恒流源。

改良版威尔逊电流镜电路
威尔逊电流镜电路可以进一步追求更高进度，我们只需加入另一个晶体管。

以上电路为改良版的威尔逊电流镜电路。该电路中加入了第四个晶体管T4。额外的T4平衡了T1和T2的集极电压。T1的集极电压等于VBE4。这也就限制并稳定了T1和T2间的电压差异。

威尔逊电流镜的优点和限制

与传统电流镜相比威尔逊电流镜电路有几项优势：
1.在传统电流镜电路中，基极电流的失配是个很常见的问题。然而，Wilson电流电路消除了基极电流平衡的错误。正因如此，输出电流与输入电流近乎一致。不仅如此，由于T3基极对T1的负反馈，电路有着非常高的输出阻抗。
2.4个晶体管组成的改良版的威尔逊电流镜电路十分适用于大电流应用。
3.威尔逊电流镜电路在输入上有着非常小的阻抗。
4.电路不需要额外的偏置电压，且所需元件不多。

威尔逊电流镜的限制
1.当威尔逊电流镜电路用于高频应用时，负反馈循环会使频率响应不稳定。
2.与两个晶体管组成的传统电流镜电路相比，它有着更高的顺从电压。
3.威尔逊电流镜电路会在输出上产生噪声。这是由于反馈提高了输出阻抗，也直接影响了集极电流。基极电流的波动导致了输出端的噪声。

威尔逊电流镜电路的实例
以下是用proteus 仿真的威尔逊电流镜电路。

其中选取的BJT皆为相同规格的2N2222。此处的电位计用于改变Q2的集极电流，从而进一步改变了Q3的基极电流，至于输出负载，此处选取了10Ω的电阻。