撑起模拟电路半壁江山：电流镜的“电流复制”魔法

在模拟电路的学习路上，你可能听过这样一句话：“在集成电路（IC）设计中，有源器件（晶体管）比无源器件（电阻电容）便宜。”

这句话的道理催生了一种在芯片内部无处不在的电路结构 —— 电流镜（Current Mirror）。

今天，我们就来扒一扒这个模电世界的“百变星君”，看看它是如何“复制”电流，又是如何撑起模拟电路半壁江山的。

一、从实物电路说起

之前拆解过一条共享充电线：

它的控制板里有一个双路电压比较器芯片：

所谓“双路”是指内部集成两个独立的电压比较器：

LM393由德州仪器（TI）等厂商生产，用来比较两个电压的大小。凭借低成本、宽电压范围、抗干扰强的特点，广泛应用于工业控制、消费电子、传感器信号处理等场景。

下图是单个电压比较器的功能原理图，出自LM393的数据手册（datasheet）：

这个电路的作用是比较正引脚IN+与负引脚IN-之间的电压，然后根据输入的差分极性，在OUT引脚输出逻辑低阻抗或高阻抗。

电路中包含一个“镜像电流源”，也叫电流镜电路：

以上是从电路板实物，到芯片数据手册，再到功能原理图，一步一步引出电流镜电路。

二、什么是电流镜？

顾名思义，电流镜就像一面镜子。

当你站在镜子前，镜子里会呈现一个一模一样的你。同样地，电流镜的作用就是把一个“基准电流”原封不动地（或者按比例）复制到电路的另一个支路去。

你可能会问：“如果我需要一个恒定电流，串个电阻不就行了吗？”

在PCB板级电路上，确实可以。但在芯片内部，制造高精度的电阻非常占面积，而且受温度影响大。相比之下，制造两个参数一模一样的晶体管却容易得多。

所以，聪明的工程师想到了一个办法：利用一个晶体管产生电压，去控制另一个晶体管，从而产生相同的电流。

三、它是怎么工作的？

假设下图的电流镜电路由两只特性完全相同的管子Q1和Q2组成：

当Q1和Q2是在同一块晶圆上制造的“双胞胎”，要实现工艺参数几乎完全一致，这是很容易做到的。

由于Q1的集电极c和基极b直接连接在一起，所以管压降Uce与电压Ube相等，从而保证Q1工作在放大状态，而不可能进入饱和状态。

所以三极管Q1的集电极电流：

由于两个三极管的基极b和发射极e的电压都相同，所以他们的基极电流也相同，都是IB，电流流向图如下。

所以对于三极管Q2来说，集电极电流：

所以：

可见此时两个集电极电流是相等的，成镜像关系。所以这种电路就叫电流镜电路。

这里已得出第一个重要结论，就是两个三极管的集电极电流相等！

下面继续证明在一定情况下，流过电阻R1的电流近似等于三极管的集电极电流！

流过电阻R1的电流：（见红色和绿色箭头）

由此算出：

当β远大于2时，输出电流：

从上式可以看出，集电极电流IC2约等于流过电阻的电流IR。

所以当电源Vcc和电阻R1确定后，IC2也就确定了。恭喜你复刻了一个电流IC2！

来一个仿真图：

读者朋友可以算一下仿真图中，基极电流IB是多少，三极管的放大倍数β是多少。

四、为什么要用电流镜？

仅仅是为了复制电流吗？当然不止。它在模电里主要干两件大事：

1、偏置电路（Biasing）

一个复杂的运放内部可能有几十个晶体管需要静态工作电流。如果给每个管子都配一个电阻来分流，芯片面积得大得吓人。

用电流镜就简单了：只需要产生一个高精度的基准电流源，然后通过多个电流镜，把这个电流“复制”分发给电路的各个角落。

下图是多复制一份电流：

2、有源负载（Active Load）——这才是大杀器！

这是电流镜最骚的操作。

在放大电路中，为了获得高增益，我们需要集电极负载电阻越大越好。但是做大电阻很难，而且大电阻会导致直流压降巨大，吃掉电源电压。

电流镜的输出阻抗非常大，把它放在放大管的上方作为负载，相当于在交流小信号层面放了一个几十kΩ甚至MΩ级别的“虚拟大电阻”，但直流压降却很小。

这就是为什么运放的增益能轻松做到几十万倍，电流镜功不可没。

五、总结

电流镜，是模拟集成电路设计的基石。

它利用器件的对称性，把电流从一处“搬运”到另一处。

它既是提供直流偏置的“大管家”，又是提供高增益的“神助攻”。

下次再看运放的内部电路图，看到那些背靠背、脸贴脸的晶体管组合时，别发晕，只要一眼认出：“哦，这不就是个电流镜嘛！”你就已经看懂了一半。