电路理念/如何反转电流方向
电路理念：将反向和正向电压到电流转换器一个接一个地连接。
关于著名的电流镜像电路及其版本，有很多专业的出版物。[1] 只是，通常情况下，它们看起来很正式、专业和“无趣”。这些资料提供了很多关于电流镜像版本的信息，但它们没有展示其背后的基本原理。
我们的使命。我们，电路理念者，在维基教科书中有不同的“使命” - 揭示电路背后的理念。我们知道，在详细展示如何计算一个电子电路之前，我们首先需要展示这个电路背后的基本原理。在电路理念中，我们尝试这样做，仅仅依靠我们的直觉、想象力和常识。
简单而复杂的电流镜像。乍一看，电流镜像看起来很简单（图 1）；但实际上，这是一个奇怪、陌生、奇特的电路，从未得到过解释（只有一点猜测）。这是一个很大的悖论，每个人都知道电流镜像是什么，但没有人知道它是如何工作的。
通常，经典的电流镜像解释从断言电流设定晶体管 Q1 充当二极管开始。但说“输入晶体管 Q1 是一个二极管”非常原始和令人困惑。实际上，它不是二极管；它恰恰是一个在主动模式下工作的晶体管。如果它的集电极断开，它就是一个二极管。然后所有的电流 IREF = VCC/R（R 在图片上省略了）将流过基极-发射极结，实际上充当二极管。但这里晶体管的输出集电极-发射极部分与基极-发射极“二极管”并联。这样，它就充当了一个分流调节元件，将大部分（β/(1 + β)）电流分流。但晶体管是如何以及为什么做出这种魔法的呢？
这种排列中有一些奇怪和令人困惑的东西... 众所周知，基极-发射极电压 VBE 是双极晶体管的输入量，集电极电流 IREF 是输出量。但这里所有情况都相反 - 集电极电流是输入量，基极-发射极电压是输出量！?!? 这是什么蠢事？
需要回答的问题。为了理解这个奇怪的电路，我们需要回答很多从未得到过回答的问题。这里有一些问题。
晶体管 Q1 在这个电路中做什么？它在那里的作用是什么？它与二极管有什么区别？我们可以用一个裸二极管或基极-发射极结（让集电极断开）来代替它，就像另一个电流镜像故事中所展示的那样？[2] 为什么以及如何让集电极电流 IREF 充当输入量，而基极-发射极电压充当输出量（我们认为基极-发射极电压 VBE 是双极晶体管的输入量，而集电极电流 IREF 是输出量）？晶体管 Q2 在这个电路中做什么？它在那里的作用是什么？当我们改变输入电流 IREF（输入电压 VREF、“编程”电阻 RREF 和负载电阻 RL）时，集电极电压是如何变化的？
由于没有对这些问题的令人满意的答案，让我们暂时忘记所有类型的“教条式”引用，并尝试自己揭开这个著名电路的神秘面纱。忘记它们，开始自己思考吧！
我们的故事似乎不会基于“可验证的来源”，因为没有这样的来源；所以，有人会说这是一个原创研究。只是，我们会努力解释这个著名的电路，使其简单、清晰、明确，以至于不需要验证这些说法。顺便说一下，NOR[3] 规定了这种可能性 - 使用来源，“其准确性可以被任何有理的成年人（没有专业知识）轻易验证”。
在电路中，特别是在微电子领域（例如，运算放大器内部），有时我们需要反转电流的方向（使流入电流变为流出电流，反之亦然 - 使流出电流变为流入电流），而不改变其大小。这样，输出电流只跟随、"复制"输入电流，但这个副本是反转的、“镜像”的。换句话说，输入电流“编程”输出电流，整个电路充当一个可编程电流源（电流控制或依赖电流源）。
显然，为了做到这一点，这样一个电流方向反转器（有一个更流行的名字 - 电流镜像）必须至少是一个三端器件（图 2）。原因是，两个进入的电流必须从某个地方“流出”（图 2a），反之亦然，两个流出的电流必须从某个地方“流入”（图 2b）。在这种排列中，一个引脚充当输入，另一个充当输出，第三个充当公共端（通常连接到正轨或负轨，更少见的是连接到地）。
基本结构。在电子学中，我们有两种类型的电路产生或更常见的是仅仅控制电流 - 电流源和电流汇。它们之间的区别是，关于某个电路点，源“注入”电流，而汇“吸收”电流。显然，为了将上面的通用布置（图 2）应用到具体的电流镜像中，我们需要这两种电路。通常，这些电路是电压控制的；因此，为了用电流控制它们，我们需要在它们之前连接电流到电压转换器。现在让我们画出两种可能的电流镜像布置的框图。
如果我们有一个电流源，我们将输入电流（“进入”电流镜像）转换为电压，然后使用这个电压来控制一个电流汇；结果，我们得到一个电流汇（图 3a）。相反，如果我们有一个电流汇，我们将输入电流（“流出”电流镜像）转换为电压，然后使用这个电压来控制一个电流源（图 3b）；结果，现在我们得到一个电流源。我们已经可以得出这个基本电流镜像结构的概括
特性。 两个转换器可能是线性的（那么 IOUT = V/R = IIN.R/R = IIN），但这不是必须的。它们可能是具有任何传递特性或 I-V 特性的非线性器件，这些特性甚至可能取决于其他量（例如，温度）；唯一的要求是它们的特性相反。这样，如果一个转换器实现一个函数 y = f(x)，另一个转换器表示逆函数 x = f -1(y)，则整个函数为 y = f(x) = f(f -1(y))。请注意，这两个转换器可以按任何顺序连接，包括直接连接在反向连接之后（图 4）。乍一看，这个结果似乎很奇怪，没有道理，但这样就解决了主要问题——反转电流方向。因此，我们可以得出以下结论
简单的反转。 通常，没有一对直接和反向转换器，我们只有一种转换器。如果这是一个可逆转换器，我们可以将其用作直接转换器，然后连接另一个相同类型的转换器，方向相反，以获得反向转换器。
负反馈反转。 问题是当转换器不可逆，它是一个简单的单向器件时。在这种情况下，我们不能交换电路的输入和输出端口；我们不能将输入量施加到电路输出，并从电路输入获得输出量（不幸的是，这就是我们的情况）。然后，唯一的方法是应用无处不在的负反馈来“反转”电路。只有具有负反馈的系统才具有反转输入和输出量之间因果关系的独特特性。它们调整其内部输入量，使其内部输出量等于“真实”外部输入量。结果，内部输入量跟随外部输入量，取决于外部输入量；实际上，内部输入量充当外部输出量。这样，它们可以“反转”对象。
一旦揭示了普遍的思想，我们就可以创建任意数量的电流镜像电路（这就是这种启发式方法的强大之处）。在所有这些版本中，只有电子元件（BJT、FET、运算放大器等）不同；它们背后的基本思想是一样的。好吧，让我们从其中最流行的一种开始——基本的 BJT 电流镜像。
我们可以通过电压或电流驱动双极型晶体管。如果我们将基极-发射极电压作为输入，并将集电极电流作为输出（图 5），我们可以将 BJ 晶体管视为具有指数特性的非线性电压到电流转换器。因此，我们可以直接将其用作我们简单的 BJT 电流镜像的输出部分
操作。 晶体管 T2 在这种配置中如何工作？为了了解，让我们进行一个实验——设置一个恒定的输入电压 VREF = 0.5 ÷ 0.7V，然后改变负载电阻 RL（同样，您可以改变电源电压 V2，甚至同时改变电阻 RL 和电压 V2）。结果令人惊讶——晶体管改变了它在集电极和发射极之间的当前电阻 RT2，以便保持一个恒定的总电阻 Rtot = RL + RT2 = const（图 6）。结果，输出电流保持恒定 IOUT = V2/Rtot。这样，晶体管 T2 的输出集电极-发射极部分充当电流稳定非线性电阻器。通常人们说晶体管 T2 充当一个简单的电流吸收器。
现在，我们需要让 BJ 晶体管充当所需的相反的电流到电压转换器。只是，我们不能直接“反转”它，因为晶体管是一个单向器件，其基极-发射极结可以控制集电极电流；相反的事情是不可能的。我们该怎么办？
我们已经知道解决方法——它被称为负反馈。在我们的例子中，这意味着让晶体管调整其基极-发射极电压“VOUT”，使集电极电流为 IIN = V1/R。为此，我们只需要将它的集电极连接到它的基极，以便应用“100% 并联负反馈”（图 7）。结果，虽然看起来很奇怪，但在这个“反向”晶体管中，集电极电流充当输入量，而基极-发射极电压充当输出量！
但是晶体管 T1 在这种配置中如何工作？为了了解，让我们进行另一个实验——设置一个恒定的输入（电源）电压 V1，然后改变输入电流设定电阻 R（同样，您可以改变输入电压 V1，甚至同时改变电阻 R 和电压 V1）。
结果比之前更令人惊讶——现在，晶体管改变了它在集电极和发射极之间的当前电阻 RT1，以便保持几乎恒定的电阻比 K = RT1/(RT1 + R) = const。结果，输出电压保持几乎恒定 VOUT = VCE1 = VBE = const（图 8）。这样，晶体管 T1 的输出集电极-发射极部分充当电压稳定非线性电阻器。但这正是制作各种有源二极管（“普通”、“齐纳” 或 “橡胶”，可调节……）的秘诀！真是太神奇了！并联负反馈使电流稳定电阻器（T1 的输出部分）表现为电压稳定电阻器！这是同一个晶体管，但在第一种情况下，它充当电流稳定元件，而在第二种情况下，它充当电压稳定元件。
同时，输入电压源 V1 和电流设定电阻 R 形成一个组合的电流源，该电流源“想要”通过一个电压稳定元件（晶体管 T1）产生电流 IIN = V1/R。顺便说一下，一些神秘的共源共栅电路基于相同的结构（电流源供电给电压稳定元件，反之亦然）。有趣的是，在这种情况下，电压稳定元件会改变其当前电阻，以“帮助”电流源建立所需的电流。例如，如果我们减小电阻 R 以增加电流，晶体管 T1 也会减小其当前电阻，从而帮助我们增加电流，反之亦然。这样做，晶体管 T1 会调整其基极-发射极电压，使集电极电流始终为 IIN = V1/R。结果，虽然看起来很奇怪，但集电极电流充当输入量，而基极-发射极电压充当输出量！负反馈反转了单向晶体管！
有趣的是，要发现晶体管 T1 如何设法达到平衡点（具有负反馈的系统总是会达到平衡）。为此，让我们首先改变输入电压 V1 的幅度或电阻 R。晶体管对这种“干预”的反应是改变其当前电阻 RT1……但持续到什么时候？为了理解，让我们做一个有趣的实验——断开反馈回路，并通过一个单独的电压源“VOUT”驱动“真实”的基极-发射极晶体管输入（图 9）。然后，让我们开始增加/减少“真实”晶体管的输入电压“VOUT”；作为回报，晶体管将开始通过减小/增加其当前电阻 RT1 来降低/升高其集电极电压 VC1。形象地说，这两个电压“相互移动”。为了模仿负反馈行为，我们必须在两个电压相等时停止改变“VOUT”（连接在集电极和基极之间的零指示器可以显示这一点）；这就是平衡点。现在，如果我们短路零指示器（将集电极连接到基极，或者用他们的话说，闭合反馈回路），系统将保持静止，因为它处于平衡点。
顺便说一下，还有一个自相矛盾的电路可以做到同样的事情，但它几乎是完美的——基于所谓跨阻抗放大器（一个连接在运算放大器反馈回路中的 BJT 晶体管）的对数转换器[4]。就像这里一样，在这个奇怪且从未解释过的电路配置中，集电极电流充当输入量，而基极-发射极电压充当输出量？！唯一的区别是，还有一个额外的运算放大器调整晶体管的基极-发射极电压，使它的集电极电流正好等于输入电流。运算放大器通过观察虚地点并将它保持在（几乎）等于零来实现这种神奇的效果。
最后，我们只需要将输入部分的输出（T1 的基极-发射极结）连接到输出部分的输入（T2 的基极-发射极结），就可以构建出著名的 BJT 电流镜电路！
+
=
唯一的问题是晶体管 T2 从输入电流中“吸取”了另一个基极电流 IB。因此，输出电流小于输入电流。
为什么使用这种严格的启发式方法——逐步构建而不是给出“一成不变”的经典电路？好处是，我们现在可以构建各种电流镜电路，只需要了解一个强大的通用概念！我们知道晶体管 T1 和 T2 在这个电路中的作用；我们了解基本电流镜电路的真相！