如何进行BJT电流镜配置？

　　本实验的目的是研究双极性结型晶体管（BJT）电流源或电流镜。电流源的重要特性包括：在宽顺从电压范围保持高输出阻抗、能抑制外部变化（如电源或温度）的影响。
　　背景知识
　　电流镜是一种电路模块，通过复制输出端子的电流来产生完全一样的流入 / 流出输入端子电流。简单的两晶体管电流镜主要是依靠两个大小相同，在相同温度下具有相同的 VBE 的晶体管具有相同的漏极或集电极电流来实现的。电流镜的一个重要特性是输出阻抗相对较高，因此无论在何种负载条件下，输出电流都可以保持恒定不变。电流镜的另一个特性是输入电阻相对较低，因此无论在何种驱动条件下，输入电流都可以保持恒定不变。复制的电流可以而且通常都是一个不断变化的信号电流。电流镜常用于在放大级中提供偏置电流和有源负载。
　　材料：
　　ADALM2000 主动学习模块
　　无焊面包板
　　跳线
　　两个 1 kΩ电阻（阻值尽可能接近，或者测量到三位数字或更精确）
　　两个小信号 NPN 晶体管（2N3904 或 SSM2212）
　　一个双通道运算放大器（例如 ADTL082）
　　两个 4.7μF 解耦电容
　　说明
　　可以重复使用共发射极BJT 曲线量测仪实验中使用的基本配置来测量电流镜特性。输入电阻 R1 和输出电阻 R2 现在都是 1 kΩ。一定要准确测量（尽可能使用更多的有效位数）R1 和 R2 的实际值，以确保准确测量电流镜的输入和输出电流。IIN 等于 W1 处的 AWG2 输出电压除以 R1 的值。IOUT 等于 Scope Channel 2 测量的电压除以 R2 的值。二极管连接的晶体管 Q1 跨接在 Q2 的基极和发射极端子。
　　在电流镜配置中，运算放大器作为电流镜输入（基极）节点的虚拟地，将来自 AWG2 （W2）的电压阶跃转化为通过 1 kΩ电阻的电流阶跃。
　　
　　图 1. 电流镜测试电路。
　　如果您不想使用运算放大器配置，也可以使用图 2 所示的简化配置。
　　
　　图 2. 备选的简单电流镜测试电路。
　　
　　图 3. 电流镜测试电路的面包板连接（带运算放大器）。
　　
　　图 4. 简单的电流镜测试电路的面包板连接。
　　硬件设置
　　加载适用于信号发生器的 W2 通道的 stairstep.csv 文件，将幅度设置为 3 V 峰峰值，偏置设置为 1.5 V。输出器件 Q2 的 VCE 由示波器输入 1+和 1- 进行差分测量。电流镜输出电流通过 1 kΩ电阻 R2 两端的示波器输入 2+和 2–测量。集电极电压使用来自 AWG 1（输出 W1）、频率为 40 Hz 的三角波形进行扫描。如果您要使用运算放大器设置，请确保该器件已正确连接至电源 Vp （5 V）和 Vn （–5 V）。
　　程序步骤
　　配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。如果您要使用运算放大器配置，确保已开启电源。
　　使用 Scopy 工具提供的示波器或通过 LTspice®仿真绘制这两个波形。下图提供了示例。
　　
　　图 5. 如 Scopy 绘图所示，W2 为 10 kHz 频率时的电流镜波形。
　　现在，将 W1 的频率更改为 200 Hz，然后绘制两个波形。对相同电路使用 LTspice 仿真的示例如图 6 所示。
　　
　　图 6. 如 LTspice 绘图所示，W1 为 200 Hz、W2 为 40 Hz 时的电流镜波形。
　　带基极电流补偿的电流镜
　　如图 7 所示，通过添加基极电流补偿晶体管 Q3 来修改简单的电流镜电路。使用发射极跟随器缓冲器替代将 Q1 的集电极连接至基极。对简单电流镜的这种改进被称为发射极跟随器增强镜。发射极跟随器缓冲级（Q2）的电流增益可以大幅降低由 Q1 和 Q2 的有限基极电流引起的增益误差。
　　
　　图 7. 带基极电流补偿的电流镜。
　　硬件设置
　　加载适用于信号发生器的 W2 通道的 stairstep.csv 文件，将幅度设置为 3 V 峰峰值，偏置设置为 1.5 V。输出器件 Q2 的 VCE 由示波器输入 1+和 1- 进行差分测量。电流镜输出电流通过 1 kΩ电阻 R2 两端的示波器输入 2+和 2–测量。集电极电压使用来自 AWG1（输出 W1）、频率为 40 Hz 的三角波形进行扫描。将正电源 Vp （+5 V）连接至 Q3 晶体管的集电极。
　　程序步骤
　　配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。打开正电源。
　　使用 Scopy 工具提供的示波器或通过 LTspice 仿真绘制这两个波形。示例如图 9 所示
　　
　　图 9. 如 Scopy 绘图所示，W2 为 10 kHz 频率时的电流镜波形。
　　
　　图 8. 带基极电流补偿的电流镜的面包板连接。
　　威尔逊电流镜
　　威尔逊电流镜或威尔逊电流源以乔治·威尔逊的名字命名，是一种改进的电流镜电路配置，旨在提供更恒定的电流源或电流吸收器。它提供更准确的输入 - 输出电流增益。如图 10 所示，将简单的电流镜更改为威尔逊电流镜。
　　
　　图 10. 威尔逊电流镜。
　　硬件设置
　　加载适用于信号发生器的 W2 通道的 stairstep.csv 文件，将幅度设置为 3 V 峰峰值，偏置设置为 1.5 V。输出器件 Q2 的 VCE 由示波器输入 1+和 1- 进行差分测量。电流镜输出电流通过 1 kΩ电阻 R2 两端的示波器输入 2+和 2–测量。集电极电压使用来自 AWG1（输出 W1）、频率为 40 Hz 的三角波形进行扫描。
　　程序步骤
　　配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。
　　使用 Scopy 工具提供的示波器或通过 LTspice 仿真绘制这两个波形。Scopy 波形图示例如图 12 所示。
　　
　　图 12. 如 Scopy 绘图所示，W2 为 10 kHz 频率时的威尔逊电流镜波形。
　　
　　图 11. 威尔逊电流镜的面包板连接。
　　维德拉电流镜
　　如图 13 所示，将简单的电流镜更改为维德拉电流镜。维德拉电流源在基本的双晶体管电流镜的基础上做了改进，包含仅用于输出晶体管的发射极负反馈电阻，使电流源仅使用中等电阻值就能产生低电流。维德拉电路可与双极性晶体管或 MOS 晶体管一起使用。
　　
　　图 13. 维德拉电流镜。
　　
　　图 14. 维德拉电流镜的面包板连接。
　　硬件设置
　　加载适用于信号发生器的 W2 通道的 stairstep.csv 文件，将幅度设置为 3 V 峰峰值，偏置设置为 1.5 V。输出器件 Q2 的 VCE 由示波器输入 1+和 1- 进行差分测量。电流镜输出电流通过 1 kΩ电阻 R2 两端的示波器输入 2+和 2–测量。集电极电压使用来自 AWG1（输出 W1）、频率为 40 Hz 的三角波形进行扫描。
　　程序步骤
　　配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。
　　使用 Scopy 工具提供的示波器或通过 LTspice 仿真绘制这两个波形。Scopy 波形图示例如图 15 所示。
　　
　　图 15. 如 Scopy 绘图所示，W2 为 10 kHz 频率时的维德拉电流镜波形。