一、简介
由输入端电流驱动并向输出端传送电流的放大器称为电流放大器。电流放大器的理想模型如图1.a所示。它是关于具有零输入等效电阻和无限输出电阻的电流控制源。
图1 a) 理想电流放大器的符号 b) 实际电流放大器的符号
实际电流放大器具有较小的输入等效电阻和非常大的输出电阻，如图1.b所示。
许多集成放大器的结构依赖于简单或更复杂的电流镜。为了理解电流镜的工作原理，首先讨论如何使用晶体管获得电流源是有用的。
二、当前来源
理想电流源的IV 特性如图2.a所示。
图2 a) 理想电流源的IV特性 b) MOS晶体管的输出特性
另一方面，MOS 晶体管的 IV 输出特性如图 2.b 所示。正如我们所看到的，当 V>V ain时，晶体管的 IV 输出特性近似于电流源的特性。因此，我们可以得出结论，适当偏置的晶体管在输出端子处充当实际电流源。图 2.b 中的特性曲线的反斜率，对于 V>V min，表示等效输出电阻 r o 当前源的。现在出现的问题是我们如何偏置晶体管才能作为特定电流值的电流源运行。为此，最广泛使用的技术是“电流镜像技术”。电流镜代表一系列许多电路，每个电路都有特定的特性。
三、电流镜
偏置晶体管的经典方法是使用分压器，如图 3.a 所示。
图 3 a) 通过分压器的偏置 b) 使用二极管晶体管进行偏置
图3.a的拓扑中，电阻R 2可以用二极管晶体管代替，如图3.b所示。出于实际原因，新拓扑比图 3.a 中的拓扑更可取。此外，它引入了用于偏置晶体管的不同方法，因为如将要示出的，对于相等的晶体管M 1和M 2，两个晶体管处的漏极电流几乎相等。因此，我们可以认为一个晶体管的漏极电流是另一个晶体管电流的镜像。因此，我们可以说图 3.b 中的电路表示为电流镜。
电流镜像技术也适用于双极技术，广泛用于模拟电路的设计。它们简化了电路设计，特别是在使用多个镜子时，并在设计中提供了相当大的灵活性。
图4 a) BJT电流镜 b) MOS电流镜
图4b电路中的晶体管M 1 和M 2具有公共电压V GS。因此，漏极电流定义为：
忽略沟道长度调制( λ =0)，结果是，
或者，
因此，对于相同尺寸的晶体管，两个晶体管上的电流几乎相等。此外，不同尺寸的晶体管可以获取电流的多个副本。因此，晶体管的几何形状定义了镜像比。晶体管的几何形状是IC电路设计中独特的设计参数。
上面的讨论是对镜子实际操作的近似研究。实际上，通道调制对镜子分支中的电流有相当大的影响，如图 5 所示的仿真结果所示。
图5 图4.b中镜子中两个晶体管的电流
为了克服简单电流镜的各种缺陷，文献中出现了许多改进的电路。最简单的修改是在晶体管M 1中添加反馈源电阻，如图6.a所示
a) b)
图6 高输出电阻电流镜
四、电流镜作为电流放大器
电流镜可在各种应用中用作电流放大器 。
在大多数应用中，电流放大器作为低增益放大器运行，没有总体反馈。电流放大器的频率带宽远高于电压放大器的频率带宽，并且约为所用晶体管的f T的量级。 带宽几乎与放大器的增益无关。此外，电流放大器结构非常简单，可以采用 CMOS 或 BJT 技术实现为集成电路。
基于简单电流镜的电流放大器
图 7.a 显示了基于电流镜 (CM) 的电流放大器拓扑。图 7.b 显示了基于我们已经研究过的简单电流镜的电流放大器电路。为了简化电路的研究，两个晶体管的偏置都是通过固定值电流源I 1和I 2来实现的。
图7 a) 基于电流镜的电流放大器拓扑 b) 基于简单电流镜的电流放大器
对于图7中的电路。b 是,
如果 k 是镜像比，那么，
和，
由于 I 1和I 2是理想电流源，
最后，
因此，输出电流是输入电流的倍数。因此图7.b中的电路是一个反相电流放大器。图7.b中的电流放大器也可以用作直流放大器。
放大器的交流等效电路如图8所示。
图8 图7.b中放大器的交流等效电路
对于图8中的电路来说，
或者，
据此，
即放大器的等效输入电阻与M 2的跨导成反比。因此R in 取决于M 2的偏置电流。偏置电流越高，输入电阻越低。
输出电流为，
或者，
上面的表达式与我们之前发现的结果是一致的。
等效输出电阻为，
M 1的偏置电流越低，输出电阻越高。
输入电流i in 的最大值约为M 2的偏置电流。因此，电流放大器放大一些微安的电流。通过使用对称镜而不是简单镜可以显着提高电流放大器的动态范围。
基于单电流镜的电流放大器的实际电路如图9所示。
图9 ACMOS电流放大器
图10 图9中放大器的频率响应
放大器的带宽几乎与放大器的增益无关(图10)。
电流放大器的Spice输入文件(图9)
一种基于对称电流镜的电流放大器
为了提高电流放大器的动态范围，使用了对称共源共栅电流镜，如图 11 所示。如果设计得当，输入电流可以远高于偏置电流。该放大器还可设计用于低压低功耗运行。
图11 基于对称共源共栅电流镜的电流放大器
(对于 k=1 ，所有 PMOS 的 W/L=1.05，所有 NMOS 的 W/L=0.47)
图12 A) 图11中放大器的瞬态响应
图12 b) 传输特性( Ibias =100nA，k=1)
电流放大倍数定义为，
