电路构想/威尔逊电流镜如何使电流均衡
电路构想： “移动”一个基极电流，从电路的输入端到输出端。
揭示流行的BJT电流镜背后的理念是一个挑战；[1][2][3][4] 但揭示传奇的威尔逊电流镜（图1）的奥秘是一个巨大的挑战！也许，没有什么比威尔逊电流镜更简单（只包含三个晶体管）和同时又难以理解和误解的电路了。有很多资源尝试通过使用正式方法来解释这个复杂的、巧妙的和优雅的电路解决方案。但它们没有给我们最需要的，首先，作为人类 – 这种奇怪、陌生和奇特的电路背后的基本理念。在没有了解电路背后基本理念的情况下计算电路是一个巨大的悖论！所以，在详细展示如何计算电子电路之前，我们首先要展示电路背后的基本理念是什么。
查看电路图（图1），我们需要回答数十个从未得到回答的问题。
晶体管Q3 在这个电路中起什么作用？它在那里的功能是什么？为什么这个电流镜包含另一个更简单的电流镜Q1 和Q2 （为什么一个额外的简单电流镜嵌套在主电流镜中）?!?!它的功能是什么？但为什么这个简单电流镜被反转了（为什么晶体管Q1 和Q2 被交换）？为什么Q1 的集电极电流作为输入量，而Q2 的集电极电流作为输出量（我们认为Q2 的集电极电流是输入量，而Q1 的集电极电流是输出量）？威尔逊电流镜中是否有负反馈？如果有，它们是什么？有多少个负反馈？它们的功能是什么（为什么它们被包括进来）？它们控制什么和如何控制 – 电压或电流？威尔逊电流镜与发射极退化电流镜相比有哪些优点？威尔逊电流镜如何保持几乎恒定的电流（为什么它具有几乎无限的输出阻抗）？为什么输入电流和输出电流几乎相等（诀窍是什么）？MOSFET威尔逊电流镜与简单的MOSFET电流镜相比是否有优势？
由于以上问题没有令人满意的答案，让我们尝试自己揭开这个著名电路的神秘面纱；让我们主要依靠我们的直觉、想象力和常识来回答这些问题。请，忘记所有“一成不变”的引用，开始自己思考，在这里进行激动人心的讨论！
理解和展示电子电路的最佳方式是重新发明它们，展示电路的演变。[5][6] 所以，让我们想象一下威尔逊是如何通过重新发明和构建他的电流镜，以便掌握电路背后的基本理念，然后以一种吸引人的方式呈现给读者。当然，如果威尔逊本人，如果他还活着，能够揭示他发明这个著名电路的过程，那将是美妙的。只是，众所周知的是，通常情况下，由于各种原因，发明家不愿意公开他们的发明过程。[7]
BJT. 简单BJT电流镜（图2）有两个主要的缺陷：首先，由于晶体管Q1 和Q2 从输入电流中“吸取”的两个基极电流，输出电流与输入电流不同；其次，由于早期效应，当输出（负载）电压改变时，输出电流会变化。这些是完全不同的问题；它们之间没有任何联系。威尔逊很聪明；在20世纪60年代初期，他“一石二鸟” – 只在简单的电流镜中添加了一个晶体管，就成功地消除了简单BJT电流镜的两个缺陷！
MOSFET. 简单的MOSFET电流镜只存在第二个缺陷，因为没有栅极电流。即使在这种情况下，威尔逊的理念也是有益的；它使MOSFET威尔逊电流源能够保持恒定的输出电流（参见另一个关于这个著名电路的故事）。
为了证明电流镜的名称，在这个电路中，输出电流必须精确地跟随输入电流。因此，关于电流幅度，电流镜实际上是一个电流跟随器。威尔逊电流镜非常接近地满足了这一要求。在这里，我们将展示威尔逊电流镜如何消除输入电流和输出电流之间的差异。
在我们的日常工作中，我们经常需要将两个大小不同的量进行均衡。例如，让我们仔细研究一个常见的机械类比：想象一下，在一个普通的机械秤的两侧分别放有两堆砝码 - 为了具体起见，左侧放了 4 克，右侧放了 6 克（图 3）。由于它们之间相差 2 克（4 < 6），所以秤是不平衡的（向左倾斜）。如果我们假设一个基极电流对应 1 克，则这个机械类比对应于一个简单的 BJT 电流镜像电路（图 4a），该电路由 β = 4 的晶体管组成（图 4b）。问题是如何使这两个砝码，或者说这两个电流相等。
更一般地说，更准确地说，我们希望创建一个原始量的副本，但在我们复制之前，原始量会丢失两个实体。问题是如何弥补损失。
为了达到这个目的，让我们尝试以更具吸引力的方式来展示这个传奇电路及其工作原理背后的理念。我们知道，为了理解电路背后的理念，我们可以可视化 电压和电流等电气量，使用电压条和电流环。在电流镜像的情况下，展示电流的流动方向并可视化其大小非常有趣。因此，我们可以在本节中绘制两种类型的图。第一个图放在页面左侧，将表示相应的电路图，并叠加电压和电流“图”。第二个图放在页面右侧，将通过粗细与其对应电流的大小成比例的粗线来可视化电流的大小。
让我们从以这种有吸引力的方式展示简单的 BJT 电流镜像开始（图 4）。你可以在左边的图（图 4a）上看到电流的流动方向，特别是晶体管如何“吸”走两个基极电流。电流由闭合回路表示（每个电流都从它开始的地方结束）。右边图（图 4b）上的线实际上是图 4a 中闭合电流回路的一部分。为了方便起见，晶体管的 β 极低（在本图中 β = 4），以便通过足够粗的线来展示基极电流。
通过“推动” 2IB 到 IIN 来使电流均衡...
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我们如何解决简单的 BJT 电流镜像中两个“吸”走 IB 的问题？让我们从依靠人类常识开始思考...
我们从日常生活经验中了解到补偿这一伟大的理念：如果某些“东西”损失了，我们可以通过添加相同数量的这种“东西”来弥补损失。在我们的机械类比中，我们只需从砝码盒中取出 2 克，并将它们添加到左侧托盘，以使秤保持平衡（4 + 2 = 6）- 图 5。
一般而言，我们通过添加两个项目到原始量中来弥补损失（我们完全校正了原始量）。
好吧，让我们实践一下这个简单的理念！“电气”地说，由于晶体管“吸”走两个 IB，我们可能会想到的第一个想法是，当然，添加相同的两个 IB（图 6b）。然后 IOUT = IIN - 2IB + 2IB = IIN。为此，我们必须将一个注入电流源 2IB 连接到 T1 的集电极 - 图 6a（更准确地说，这更像是一个电流稳定电阻，而不是一个电流源）。
唯一的是，它不能是一个普通的恒定电流源，而应该是一个“跟随”电流源，复制电流 2IB。多么荒谬！原来我们需要另一个电流镜像？！
...通过从 IOUT 中“吸”走 2IB 来进行...
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同样成功的是，在我们的机械类比中，我们可以从右侧托盘中减去 2 克，并将它们放在砝码盒中，以便再次使秤保持平衡（4 = 6 - 2）- 图 7。因此，我们可以以类似的方式推断电路...
一般而言，现在我们通过添加两个项目到副本中来弥补损失（我们完全校正了副本）。
现在让我们将这个“机械”理念应用到我们的电路中... 在上面，我们通过将两个补偿基极电流注入到输入电流（“原始”量）中来进行添加。但同样成功的是，我们可以通过从输出电流（“副本”）中“吸取” 2IB 来将它们添加到输出电流（图 8b）。现在 IIN = IOUT - 2IB + 2IB = IOUT。在这种情况下，我们必须将一个吸收电流源 2IB 连接到 T2 的集电极（图 8a）。
和以前一样，它不能是一个普通的恒定电流源，而应该是一个“跟随”电流源，复制电流 2IB。
...通过既从 IOUT 中“吸取” IB，又向 IIN“推动” IB 来进行...
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我们几乎已经触及了威尔逊电流均衡理念的精髓... 好吧，让我们继续思考。创建一个 2IB 并不方便，而产生（源或汇）一个 IB 则更容易。那么我们该怎么办呢？
让我们再次回到我们最喜欢的机械类比；它可能会帮助我们... 事实上，与其添加多达 2 克到左侧托盘，或者减去 2 克从右侧托盘，我们只需从砝码盒中添加 1 克到左侧托盘，并从右侧托盘中减去 1 克，并将它放在砝码盒中（4 + 1 = 6 - 1）- 图 9。
一般而言，现在我们通过添加一个项目到原始量中，并减去一个项目从副本中来弥补损失（我们部分地补偿了原始量和副本）。
现在让我们实践一下这个有趣的理念... 为此，我们可以将一个注入电流源 IB 连接到正电源轨和 T1 的集电极之间，并将一个吸收电流源 IB 连接到 T2 的集电极和地之间 - 图 10a。通过这种方式，我们将一个基极电流添加到输入电流中，并将另一个基极电流添加到输出电流中（图 10b）。结果，两个电流变得相等
...通过将 IB 从 IOUT “移动”到 IIN 来进行...
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我们确实已经触及了威尔逊电流均衡理念的精髓... 我们可以进一步发展机械类比中强大的理念，即仅将 1 克从右侧托盘移动到左侧托盘！好吧，让我们再说一遍：与其在左侧托盘中添加 1 克，并从右侧托盘中减去 1 克，我们只需将 1 克从左侧托盘移动到右侧托盘即可使秤保持平衡（4 + 1 = 6 - 1）- 图 11。但这不仅仅是威尔逊的理念！过去的每个供应商都了解并使用过这个巧妙的技巧！
一般而言，现在我们通过将一个项目从原始量（损失之前）移动到副本中来弥补损失。因此，我们部分地补偿了原始量和副本；我们重新分配了补偿项目。
现在让我们实践一下这个巧妙的技巧... 和上面一样，我们将一个基极电流添加到输入电流中，并将另一个基极电流添加到输出电流中（图 12b）。结果，两个电流再次变得相等
这就是威尔逊的伟大理念！为了使两个电流均衡，他只是将一个基极电流从一个支路“移动”到另一个支路！
你不觉得这种连接类似于桥式电路吗（电流源充当两个电路支路之间的“桥”）？
实现威尔逊的电流均衡理念
[edit | edit source]一旦我们揭示了威尔逊的绝妙理念，我们只需将其付诸实践。让我们继续思考...
这个神秘的元件是什么，它可以从电路的一部分消耗 IB，并将其添加到电路的另一部分？当然，对于一个双极型晶体管来说，没有什么比“驴工”更自然的了！它从基极连接点“吸取” IB，并将其添加到发射极电流中。然后，让我们将一个晶体管 T3 连接到电路的左支路（图 13a）！
太棒了，现在它从 IOUT 中吸收了电流 IB，并将相同的电流 IB 注入了 IIN（图 13b）！所以，我们已经成功揭示了神秘晶体管 T3 的作用！
在威尔逊电流镜电路中，晶体管 T3 将一个基极电流从电路的右侧“移动”到左侧。.
但是，这种连接存在问题，因为我们无法改变左侧的输入电流（通过改变电阻或电压）。如果我们试图这样做，晶体管 T3 会阻碍我们的干预，从而保持恒定的电流（参见 另一个关于传奇电路的故事）。让我们继续思考。
好吧，晶体管 T3 必须调整其基极电流，以便其集电极电流保持不变，正如我们所希望的那样。唯一能够做到这一点的“东西”就是无处不在的负反馈，它保持着几乎恒定的电压（这应该与应用于晶体管 T1 的负反馈相同）。
但是，该电路的输入部分没有反馈；T3 的集电极和基极之间没有连接。相反，是由 T3 和 T1 实现的负反馈，它们连接在电路输出部分的 T2 的集电极和发射极之间（再次参见图 13a）！那么我们该怎么办呢？
欧里卡！我们可以交换两个电路分支：输出部分可以作为输入部分，输入部分可以作为输出部分。因此，我们最终获得了真正的威尔逊电流镜（图 14a）！让我们得出最终结论。
在威尔逊电流镜电路中，晶体管 T3 将一个基极电流从电路的左侧“移动”到右侧。.
- ↑ 讨论：电流镜揭示了简单电流镜电路背后的秘密。
- ↑ 如何反转电流方向揭示了简单电流镜的秘密。
- ↑ “二极管”电流镜是否存在？通过重新发明电流镜开始揭示电流镜的秘密。
- ↑ 构建一个 BJT 电流镜继续重新发明简单的 BJT 电流镜。
- ↑ 电路理念维基教科书背后的哲学
- ↑ 一种启发式方法来教授模拟电子学依赖于人类的想象力、直觉和情感。
- ↑ 为什么电路理念被隐藏考虑了新电路理念的命运。
保罗·霍洛维茨，温菲尔德·希尔。 电子学艺术，第二版，第 89 页。 ISBN 0521370957。好吧，让我们看看第 89 页：“...现在 Q2 正在提供输出电流...” 但是为什么呢？不幸的是，这些著名的作者也没有注意到威尔逊电流镜均衡输入和输出电流的非凡特性。
设计模拟芯片。作者对威尔逊说：“...模拟设计人员不会获得诺贝尔奖，他们会以他们的名字命名一个电路...” 以及关于他的作品：“...巧合的是，三个基极电流抵消了...” 但是怎么呢？我们想知道！
Mechkov C.，均衡威尔逊电流镜中的电流， 2008 年计算机科学 会议，2008 年 9 月 18-19 日，希腊卡瓦拉。这与上面介绍的 故事相同，但它写得更正式一些。
威尔逊电流镜来自维基百科，是电路设计中正式方法的典型例子。
威尔逊电流镜来自模拟电子学维基教科书使用相同的正式方法。
模拟和混合信号集成电路设计提供了关于乔治·威尔逊发明的有趣事实。“据说巴里·吉尔伯特与一位名叫乔治·威尔逊的人进行了一场非正式比赛，看看谁能想出最有用的三晶体管电流源。乔治·威尔逊赢了，这个优雅而高效的设计以他的名字命名。‘仿佛是魔法’与二晶体管源相关的基极电流误差几乎完全抵消了...” 但我们再次问，“为什么呢？”
运算放大器真的是线性的吗？ 在这篇文章中，巴里·吉尔伯特承认：“...第一个报道的单片 JFET 运算放大器是由我的好朋友乔治·威尔逊设计的，他设计了一种新型的 BJT 电流镜，现在被称为威尔逊镜......”