电路原理/威尔逊电流镜如何保持电流
电路原理： 通过“复制”负载电流并将其转换为电压，实现从发射极到基极的电流保持反馈。
我们可以从两个方面考虑威尔逊电流镜的行为。一方面，当我们改变输入量（输入电压、电阻 R 或实际上是输入电流）时，电流镜表现为一个电流跟随器。在这种情况下，我们在之前的文章中考虑过，重要的是输出电流要精确地跟随输入电流。另一方面，如果我们改变输出量（电源电压、负载电阻或电压），电流镜表现为一个恒流源。在这种情况下，重要的是电路能够保持稳定的电流。那么，我们现在来讨论第二个方面。
简单 BJT 电流镜的输出部分利用了双极型晶体管的基本特性，如果我们保持其基极电压或电流稳定，它会表现为一个电流稳定电阻。实际上，与电源一起，晶体管构成了一个电流源或电流汇。晶体管是如何做到这一点的？例如，如果负载电阻 RL 变化，晶体管会改变其集电极和发射极之间的瞬时电阻 RT，以保持恒定的总电阻 Rtot = RL + RT = const（图 1）。
仅仅由于早期效应，输出部分并不能表现为一个理想的恒流源；这是简单电流镜的第二个缺陷，我们现在需要改进。
我们可以通过应用各种巧妙的“技巧”[1] 使输出晶体管保持恒定电流，但负反馈 是其中最可靠的一种。那么，我们如何在简单晶体管级中引入这种“电流保持”的负反馈呢？让我们开始思考...
我们有一个晶体管，它通过改变其集电极和发射极之间的瞬时电阻来控制流经负载的电流...引入“电流保持”负反馈意味着什么？如果电流由于 RL 或 VCC 的变化而试图改变，会发生什么？显然，如果负载电流试图增加，晶体管必须更加闭合（以增加其集电极-发射极之间的瞬时电阻 RT），从而恢复到之前的电流大小。反之，如果负载电流试图减小，晶体管必须更加开路（以减小其集电极-发射极之间的瞬时电阻）——图 2。为简单起见，从现在开始，我们只考虑第一种情况（负载电流增加）。
为了使晶体管实现这一点，我们必须将负反馈回路从负载电流流过的输出电路闭合到晶体管的输入端。晶体管的输入端是什么？基极-发射极结（栅极-漏极部分）用作差分电压输入；但是，以地为参考，晶体管有两个单端电压输入——发射极和基极。因此，我们可以通过将一个与负载电流成正比的电压分别施加到发射极和基极，引入两种负反馈。
首先，我们可以固定基极电压，从发射极驱动晶体管。为此，我们将一个参考电压源 VREF 连接到基极，并在发射极连接一个电流-电压转换器，产生与负载电流 IL 成正比的电压（图 3）。
一个裸电阻 RE 可以用作简单的电流-电压转换器（图 4）。由于输出量（电压降 VRe）与输入量（电压 VREF）串联施加，这种保持恒定电流的常用技术被称为串联负反馈或“发射极退化”。
仅仅，电压降 VRe 会限制负载上的最大电压降（所谓的顺从电压）。那么我们该怎么办呢？
但是，你有没有想过，我们可以固定发射极电压，并从基极驱动晶体管，以同样的成功率？让我们试试！也许，这将引导我们得到我们想要的威尔逊电流镜...为了实现这个想法，我们再次需要一个产生与负载电流成正比的电压的元件，即电流-电压转换器。但是现在，电流流过一个地方（发射极），而电压必须施加到另一个地方（基极）！因此，我们需要的不是一个简单的“电阻”I-to-V 转换器；我们需要一种“跨阻”I-to-V 转换器。我们该如何制作？威尔逊是如何解决这个问题的？
灵机一动！我们可以将负载电流 IL “复制”到所需的位置，然后通过一个电阻，以产生一个与 IL 成正比的电压降（图 5）。然后，我们来做吧！为此，我们将一个 I-to-V 转换器连接到发射极，它驱动一个反向 V-to-I 转换器。正如你所看到的，正向和反向转换器实际上构成了著名的简单电流镜。它会产生一个 IL 的“副本”，该副本流过连接到基极的传统电阻式 I-to-V 转换器（图 6）。这样，通过电流镜和电流-电压转换器，我们再次应用了一个电流保持的负反馈。
威尔逊电流镜由一个简单电流镜和一个连接在反馈回路中的电流-电压转换器组成。
正如上面所述，一个裸电阻 R 可以用作最简单的电流-电压转换器（图 7）。实际上，它充当图 4 中的发射极“退化”电阻 RE。仅仅，这里不是“原始”负载电流 IL 流过电阻 R，而是该电流的“副本” IR = IL。电阻 R 上的电压降 VR，或者更严格地说，是其对 VCC 的补充电压，是晶体管 T3 的输入电压。
为了确定这个奇怪的电路是否表现为恒流源，我们必须以某种方式“激发”它，并观察它对我们“干预”的反应。那么，我们如何“激发”它呢？例如，让我们研究一下如果改变负载电阻 RL，电路将如何反应。在开始时，假设两个电路支路的电流 IL = IR 相等，这是正常的电路状态。
如果我们增加 RL，负载电流 IL 就会试图减小。这个电流是简单电流镜像 T1，T2 的输入量；因此，它的输出量 IR 也会减小。结果，电压降 VR 减小，其补充 VCE2 增加。晶体管 T3 的输入电压 VBE3 增加；它开始更多地开启，直到负载电流恢复到之前的幅度。
晶体管 T3 实际上保持了什么？它保持一个恒定的基极-发射极电压 VBE。如果我们把这个电路看作一个负反馈稳压器，VBE 是它的输入参考量，晶体管 T3 保持这个量恒定。这样做，它实际上保持了稳态电阻 R 上的恒定电压降 VR；因此，电流 IR 和 IL 也保持恒定。
关于威尔逊电流镜像的大多数资源都没有注意到电路中的任何反馈。其中一些[2] 发现了两个正反馈，而另一些[3] 发现了两个负反馈。但实际上，在这个复杂的电路中，存在多达三个负反馈！让我们试着去看看它们。
1. 局部反馈 - T1 的集电极和基极之间的导线。它反转 T1，使其充当对数电流到电压转换器，而不是 BJT 本身固有的反对数电压到电流转换器。[4] 这是一种并联恒压保持负反馈。
2. 更全局的反馈 - 整个有源二极管（T1 + 其集电极和基极之间的导线）连接在 T3 的发射极。这是一种串联恒流保持反馈（发射极退化）。只是，由于有源二极管表现为电压稳定元件（显著的电流变化会导致微不足道的电压变化），因此它对于保持恒流的影响可以忽略不计。
3. 全局负反馈 - 它由简单电流镜像（T1 和 T2）和充当简单电流到电压转换器的电阻 R 构成。它是保持电流恒定的重要负反馈；我们已经在上面讨论过它。
- ↑ 重新发明恒流源揭示了恒流源背后的哲学。
- ↑ 电流镜像显示了威尔逊电流镜像如何保持几乎恒定的输出电流。有趣的是，作者更喜欢说“正”而不是“负”反馈。
- ↑ 通过负反馈方法理解威尔逊电流镜像显示了两个负反馈的存在。
- ↑ 如何反转电流方向是我们关于简单 BJT 电流镜像的故事。
Paul Horowitz, Winfield Hill. 电子艺术，第二版，第 89 页。 ISBN 0521370957.
Mechkov C.，消除威尔逊电流镜像中的早期效应，第四届国际会议 - 2008 年计算机科学，2008 年 9 月 18-19 日，希腊卡瓦拉。这与这里介绍的内容相同，但写得更加正式。
维基百科的这篇词条是电路领域中正式方法的一个典型例子
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