CN103076838B - 一种电流镜互补偏置方法和一种电流镜 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电流镜互补偏置方法，用于对电流镜电路中的晶体管进行偏置，晶体管的总数量为偶数个，偶数个晶体管的发射极与地电平相连，偶数个晶体管的基极作为电流输入端，偶数个晶体管的集电极作为电流输出端，互补偏置方法包括：在电流镜电路中所有晶体管的电流输入端输入一个直流分量；选择所述电流镜电路中第一数量个晶体管，所述第一数量为偶数；将第一数量晶体管按照对分的方式分成两部分；在第一数量晶体管中第一部分晶体管的基极上输入第一交流分量，在第一数量晶体管中第二部分晶体管的基极上输入第二交流分量，第一交流分量和第二交流分量大小相等、方向相反，通过互补偏置方法可以使电流输出端获得的电流较现有技术更大。

Description

一种电流镜互补偏置方法和一种电流镜

技术领域

本申请涉及电流镜电路领域，特别涉及一种电流镜互补偏置方法和一种电流镜。

背景技术

电流镜是模拟电路的一个重要的电路单元，可以用于复制电流，它既可以作为偏置单元也可以作为信号处理元件，被广泛地应用于各种模拟和射频电路设计中。

电流镜的一个主要作用是和参考源相结合，给模拟电路的核心功能部分提供偏置，比如给电阻做负载的差分放大器提供尾电流源，性能优良的参考源与电流镜相结合，可以使得模拟电路核心功能部分的静态工作点在温度、电源电压和工艺发生变化时依然保持稳定。

现有的电流镜是由偶数个晶体管并联组成的，其偏置方法是在电流镜中的晶体管的基极输入一个直流分量，直流分量的电压是一个固定值，通常情况下，为了满足晶体管处于正向放大区的考虑，晶体管的基极电压要小于集电极电压，这就要求直流分量的电压较小，也就导致晶体管的集电极总电流较小，在需要电流镜输出较大电流的情况下，现有的电流镜偏置方法不能满足要求。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种电流镜互补偏置方法和一种电流镜，可以使电流镜中晶体管的集电极输出较大的电流。

为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种电流镜互补偏置方法，用于对电流镜电路中的晶体管进行偏置，所述晶体管的总数量为偶数个，偶数个所述晶体管的发射极与地电平相连，偶数个所述晶体管的基极作为电流输入端，偶数个所述晶体管的集电极作为电流输出端，所述互补偏置方法包括：

在电流镜电路中所有晶体管的电流输入端输入一个直流分量；

选择所述电流镜电路中第一数量个晶体管，所述第一数量为偶数；

将第一数量晶体管按照对分的方式分成两部分；

在第一数量所述晶体管中第一部分晶体管的基极上输入第一交流分量；

在第一数量所述晶体管中第二部分晶体管的基极上输入第二交流分量，所述第一交流分量和第二交流分量大小相等、方向相反。

优选地，所述第一数量小于总数量。

优选地，所述第一数量等于总数量。

优选地，所述晶体管的参数相同。

优选地，所述晶体管为NPN型晶体管。

优选地，所述晶体管为PNP型晶体管。

本申请实施例还提供了一种电流镜，所述电流镜包括：晶体管电路、分类电路和偏置电路，其中：

所述晶体管电路包括偶数个晶体管，并且所述晶体管的基极作为所述电流镜电路的输入端，所述晶体管的集电极作为所述晶体管电路的输出端，所述晶体管的发射极与地电平相连；

所述分类电路用于选择所述晶体管电路中第一数量个晶体管，且将第一数量个晶体管按照对分的方式分成两部分，其中，所述第一数量为偶数；

所述偏置电路与所述分类电路相连接，用于生成直流分量且将直流分量输出到第一数量个晶体管的基极中；且生成第一交流分量和第二交流分量，并将所述第一交流分量输出到第一部分晶体管的基极中，将第二交流分量输出到第二部分晶体管的基极中，第一交流分量和第二交流分量大小相等、方向相反。

优选地，所述第二数量小于总数量。

优选地，所述第二数量等于总数量。

优选地，所述晶体管的参数相同。

由以上技术方案可以看出，与现有技术相比，本申请提供的电流镜互补偏置方法通过在电流镜电路中增加大小相等、方向相反的交流电分量，使电流镜中的晶体管的输入端口分量在与现有偏置方法相同的情况下，集电极输出总电流比现有偏置方法的输出电流大，互补偏置方法较为简单，并且容易实现，本申请提供的电流镜通过分类电路和偏置电路可以在电流镜模块中输入不同的交流分量，从而可以得到更大的输出电流。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种电流镜互补偏置方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种电流镜中晶体管的连接示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种电流镜中晶体管的连接示意图；

图4为本申请实施例提供的一种电流镜的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

图1为本申请实施例提供的一种电流镜互补偏置方法的流程示意图。

该方法应用于电流镜电路中，该电路中晶体管的总数量为偶数个，所有晶体管的发射极与地电平相连，所有晶体管的基极作为电流输入端，所有晶体管的集电极作为电流输出端。

如图1所示，该互补偏置方法包括：

S100、在电流镜电路中所有晶体管的电流输入端输入一个直流分量。

电流镜电路中的所有晶体管的电流输入端可以连接一个直流恒流源，该直流恒流源可以生成一个直流分量，即在所有晶体管的基极上都输入一个相同的直流分量。

S200、选择电流镜电路中第一数量个晶体管。

为了使所有晶体管的电流输入端的电流平均值与现有方法相比不至于发生改变，该第一数量为偶数，并且，该第一数量可以小于总数量，也可以等于总数量。

S300、将第一数量个晶体管按照对分的方式分成两部分。

S400、在第一数量个晶体管中第一部分晶体管的基极上输入第一交流分量。

S500、在第一数量个晶体管中第二部分晶体管的基极上输入第二交流分量。

上述的第一交流分量和第二交流分量是大小相等、方向相反的交流分量，在实际应用中，可以由一个交流电流源产生一个基准交流分量，在第一部分晶体管的基极上输入该基准交流分量，该基准交流分量可以经过一个反相器改变该基准交流分量的方向后即是第二交流分量，把该第二交流分量输入到第二部分晶体管的基极中，此外，两部分晶体管的基极还可以分别与两个交流电流源相连，这两个交流电流源可以生成两个大小相等、并且方向相反的交流分量，在实际应用中，第一交流分量和第二交流分量可以由电流镜所在实际电路的内部产生，例如由振荡器的输出来提供，这样就不会在实际电路中产生一个信号源，对整体电路的输出没有影响。

由以上技术方案可以看出，本申请实施例提供的电流镜互补偏置方法通过在电流镜电路中增加大小相等、方向相反的交流分量，使电流镜中的晶体管的输入端口分量在与现有偏置方法相同的情况下，集电极输出总电流比现有偏置方法的输出电流大，该互补偏置方法较为简单，并且容易实现，通过在晶体管中输入不同的交流分量，从而可以得到更大的输出电流。

下面结合具体案例对本申请实施例提供的该方法进行详细阐述：

图2为本申请实施例提供的一种电流镜中晶体管的连接示意图，其中，电流镜的整体连接情况与现有一致，晶体管的数量为m个，m设为偶数，偶数个晶体管的发射极与地电平相连，偶数个晶体管的基极作为电流输入端，偶数个晶体管的集电极作为电流输出端，在电流输入端输入一个直流分量，晶体管可以是NPN晶体管，也可以是PNP晶体管，为叙述方便，在本申请实施例中，晶体管为NPN晶体管。

如图2所示，m是晶体管并联的数量，在这里设m为偶数，在现有偏置方法中，在m个晶体管的基极都只输入一直流分量V₀，即V_B=V₀，由此可以得到m个晶体管的集电极总电流i_C,1为：

$i_{C,1}=m\·I_S\·e^{\frac{V_0}{V_T}}---\left(1\right)$

式中，I_S为集电极反向饱和电流，V_T为热电压。

图3是本申请实施例提供的另一种电流镜中晶体管的连接示意图。

如图3所示，电流镜的整体连接情况与现有一致，晶体管的数量为m个，m设为偶数，偶数个晶体管的发射极与地电平相连，偶数个晶体管的基极作为电流输入端，偶数个晶体管的集电极作为电流输出端，在电流输入端输入一个直流分量，晶体管可以是NPN晶体管，也可以是PNP晶体管，为叙述方便，在本申请实施例中，晶体管为NPN晶体管。

在对电流镜电路中的晶体管进行互补偏置的过程中，先选择第一数量个晶体管，如果晶体管的总数量为两个，则选取两个晶体管进行互补偏置，如果晶体管的数量为大于两个的偶数个，可以选择所有的晶体管进行互补偏置，也可以从中选取2个、4个、6个或更多的偶数个晶体管。

之后在第一数量个晶体管中取一半数量的晶体管，在其基极还输入第一交流分量Acos(ωt+φ)，新的电流为V_BP，即V_BP=V₀+Acos(ωt+φ)，在第一数量个晶体管另外一半数量的晶体管的基极上输入第二交流分量新的输入电流为V_BN，即V_BN=V₀-Acos(ωt+φ)，即在晶体管的基极连接的端口V_BP和V_BN上除输入一个直流分量V₀外，还增加了第一交流分量和第二交流分量，第一交流分量和第二交流分量的大小相等、方向相反。

在实际应用中，第一交流分量和第二交流分量可以由实际电路的内部产生，例如由振荡器的输出来提供，这样就不会在实际电路中产生一个信号源，对整体电路的输出没有影响，并且，施加第一交流分量和第二交流分量后，由于两个交流分量的大小相等、方向相反，电流镜所有晶体管的基极的输入的电流平均值仍为V₀，与现有偏置方法中晶体管的基极输入相同，此外，所有晶体管的基极电压要小于集电极电压，使电路中的晶体管处于正向工作区，即发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。

在本申请实施例中，为叙述方便，第一数量可以是n个晶体管，n为偶数，第一数量可以小于总数量也可以等于总数量，即n≤m，在n个晶体管的基极上分别输入交流分量后，集电极的总电流可以表示为：

$i_{C,2}=\frac{n}{2}\·I_S\·e^{\frac{V_{\mathrm{BP}}}{V_T}}+\frac{n}{2}\·I_S\·e^{\frac{V_{\mathrm{BN}}}{V_T}}---\left(2\right)$

为验算方便，在本申请实施例中，取n=m，则（2）式又可表示为：

$i_{C,2}=\frac{m}{2}\·I_S\·e^{\frac{V_{\mathrm{BP}}}{V_T}}+\frac{n}{2}\·I_S\·e^{\frac{V_{\mathrm{BN}}}{V_T}}---\left(3\right)$

将(1)式代入(3)式中，则晶体管集电极的总电流又可表示为：

利用如下的泰勒展开公式，将（4）式展开，

$e^x+e^{-x}=2(1+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}+...)---\left(5\right)$

展开后可以得到如下式所示：

由（6）式可以看出，由互补偏置方法得到的集电极总电流总是比传统偏置的集电极总电流大，即i_C,2>i_C,1。

上述是选取了电流镜电路中所有的晶体管进行互补偏置，当选择其中的一部分进行互补偏置时，由于未被选取的晶体管的集电极电流和传统方法中的同等数量的晶体管的集电极电流相等，而进行互补偏置的晶体管的集电极电流要大于传统的偏置方法，因此，选取部分晶体管进行互补偏置，得到的集电极总电流也要大于传统方法。

本申请实施例还提供了一种电流镜，图4为本申请实施例提供的一种电流镜的电路结构示意图，如图4所示，该电流镜包括：晶体管电路1、分类电路2和偏置电路3，其中：

晶体管电路1包括偶数个晶体管，即m个晶体管，并且所有晶体管的基极作为电流镜电路的输入端，所有晶体管的集电极作为晶体管电路的输出端，所有晶体管的发射极与地电平相连；

分类电路2用于选择晶体管电路中第一数量个晶体管，且将第一数量个晶体管按照对分的方式分成两部分，其中，第一数量为偶数，在实际应用中，分类电路可以是与不同的晶体管的基极相连接的多段导线，通过连接不同的导线可以选择不同的晶体管；

偏置电路3与分类电路相连接，用于生成直流分量且将直流分量输出到第一数量个晶体管的基极中；且生成第一交流分量和第二交流分量，并将第一交流分量输出到第一部分晶体管的基极中，即输入到V_BP中，将第二交流分量输出到第二部分晶体管的基极中，即输入到V_BN中，第一交流分量和第二交流分量大小相等、方向相反，在实际应用中，电流镜电路一般连接在其他电路中，偏置电路就可以是能够产生直流分量和不同交流分量的电路。

在上述电流镜中，第二数量可以小于总数量，也可以等于总数量，具体的验算过程与方法实施例中原理一致，这里不再赘述。

本申请提供的电流镜通过分类电路和偏置电路可以在晶体管中输入不同的交流分量，从而可以得到更大的输出电流。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

需要说明的是，以上所述仅仅是本申请技术方案的一部分优选具体实施方式，使本领域技术人员能够充分理解或实现本申请，而不是全部的实施例，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，基于以上实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理，不做出创造性劳动前提下，还可以做出多种显而易见的修改和润饰，通过这些修改和润饰所获得的所有其他实施例，都可以应用于本申请技术方案，这些都不影响本申请的实现，都应当属于本申请的保护范围。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合于本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上对本申请进行了详细介绍，本文中应用可具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种电流镜互补偏置方法，用于对电流镜电路中的晶体管进行偏置，其特征在于，所述晶体管的总数量为偶数个，偶数个所述晶体管的发射极与地电平相连，偶数个所述晶体管的基极作为电流输入端，偶数个所述晶体管的集电极作为电流输出端，所述互补偏置方法包括：

在电流镜电路中所有晶体管的电流输入端输入一个直流分量；

选择所述电流镜电路中第一数量个晶体管，所述第一数量为偶数；

将第一数量晶体管按照对分的方式分成两部分；

在第一数量所述晶体管中第一部分晶体管的基极上输入第一交流分量；

在第一数量所述晶体管中第二部分晶体管的基极上输入第二交流分量，所述第一交流分量和第二交流分量大小相等、方向相反。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数量小于总数量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数量等于总数量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶体管的参数相同。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶体管为NPN型晶体管。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶体管为PNP型晶体管。

7.一种电流镜，其特征在于，所述电流镜包括：晶体管电路、分类电路和偏置电路，其中：

所述晶体管电路包括偶数个晶体管，并且所述晶体管的基极作为所述晶体管电路的输入端，所述晶体管的集电极作为所述晶体管电路的输出端，所述晶体管的发射极与地电平相连；

所述分类电路用于选择所述晶体管电路中第一数量个晶体管，且将第一数量个晶体管按照对分的方式分成两部分，其中，所述第一数量为偶数；

所述偏置电路与所述分类电路相连接，用于生成直流分量且将直流分量输出到第一数量个晶体管的基极中；且生成第一交流分量和第二交流分量，并将所述第一交流分量输出到第一部分晶体管的基极中，将第二交流分量输出到第二部分晶体管的基极中，第一交流分量和第二交流分量大小相等、方向相反。

8.根据权利要求7所述的电流镜，其特征在于，所述第一数量小于总数量。

9.根据权利要求7所述的电流镜，其特征在于，所述第一数量等于总数量。

10.根据权利要求8或9任一项所述的电流镜，其特征在于，所述晶体管的参数相同。