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回路の基礎解説シリーズ カレントミラー CSPP PSDC <クリックするとジャンプします。
カレントミラー回路 Current mirror circuit

カレントミラー回路とは、あたかも鏡に映されたかのように、入力した電流と同じ向きの電流が出力される回路です。
ガラスの鏡に映る影は、凹面鏡であれば拡大され、凸面鏡であれば縮小され、歪んだ鏡であれば歪み、また曇った鏡であれば映りが悪くなります。そして、それに当てはまることはカレントミラー回路でも起こりますから、誰が名付けたか知りませんがカレントミラーとは言い得て妙です。

 1. バイポーラトランジスターによるワイドラー型カレントミラー

右図のように入力電流I1を加える側のトランジスターQ1はベースとコレクタを結合したダイオード接続で、Q1のコレクタ電圧を出力電流I2を発生させる側のトランジスターQ2のベースに与える回路となっています。

Q1のエミッタ電流IE1はQ1のコレクタ電流IC1とQ1のベース電流IB1の合計値です。
I1はIC1とIB1とQ2のベース電流IB2の合計値であり、これはIE1とIB2の合計値でもあります。
Q1とQ2のベース電圧は同一であるため、Q1とQ2の特性が等しいものであれば、Q1のエミッタ電流IE1とQ2のエミッタ電流IE2は等しくなります。
しかしIE1=IE2であっても、IB2が災いしてI1=I2とならない欠点があります。
I1からIB2を分流した時点で、IE1はI1よりもIB2だけ少なくなっていて、更にI2はIE2よりもIB2だけ少ないので、IE1=IE2であれば、I2はI1に対して2倍のIB2だけ少なくなるというわけです。
I1にI2を近づけるためにはQ2にHFEの高い素子を用いる必要があります。

その他にも欠点を上げることが出来ます。
Q1のコレクタ-エミッタ間電圧はベース-エミッタ間電圧に等しい0.6V程度であるため、コレクタ-エミッタ間の飽和電圧の低い素子を用いる必要があります。それはそれとして、Q2のコレクタ-エミッタ間電圧はQ1のコレクタ-エミッタ間電圧よりも高く、しかも変化するために、I2はアーリー効果の影響を受けてIE1=IE2が厳密には成り立たってません。

このような欠点はあるものの高い精度が要求されない場合は、回路が簡単であるため用いられることの多い回路です。
Q1をダイオードに置き換えた簡略形や、エミッタに抵抗を追加して精度と安定性を高めたタイプ、出力を2つ以上持つタイプなど多彩なバリエーションがあります。

エミッタに抵抗を追加した場合は抵抗両端に電圧振幅を生じるため、Q2のミラー効果が作用して高い周波数の伝達特性が低下します。 尚、ミラー効果のミラーは発見者由来のMillerで鏡のmirrorではありません。

温度によってベース-エミッタ間電圧が変化するため、Q1とQ2を熱結合して温度条件を同一にそろえる必要があります。そのため、最初から2素子を一つのシリコン基板上に作成してあるモノリシック・デュアルタイプのトランジスター(2SA1349/2SC3381など)を利用すると便利です。

IE1=IC1+IB1
I1=IC1+IB1+IB2=IE1+IB2

IE1=IE2
I2=IE2-IB2=IE1-IB2

∴I1-I2=2IB2

簡略形

エミッタ抵抗追加形

多連出力形

 

2. ベース電流補償カレントミラー

バイポーラトランジスターによるワイドラー型カレントミラーに、右図のようにQ3を追加してベース電流を別に供給することで、I1=I2を可能にした回路です。
Q3のベース電流が、I1に与える影響が無視できるほど小さいことが条件です。
Q3のエミッタ側はQ1による強力なNFBが作用して極めて低いインピーダンスになっているため、エミッタに抵抗を追加した場合でもQ2のミラー効果が小さいという御利益があります。

3. MOS-FETワイドラー・カレントミラー

右図のようにQ1,Q2にMOS-FETを使用すると、バイポーラトランジスターにあった問題点が一切ないため、I1=I2が理想的に達成できます。

使用するMOS-FETとしては、ゲート-ソース間カットオフ電圧よりもドレイン-ソース間飽和電圧が低い素子でなければなりませんが、高耐圧のものを除けば大概この条件は満たしています。
ただスイッチング用に開発されたものはノイズが大きいという印象が私にはあります。

 

4. ウイルソン・カレントミラー

右図がウイルソン・カレントミラーと呼ばれる回路です。
Q3のエミッタ電圧がQ1のベース電圧(約0.6V)と等しくなるように、Q3とQ1は強力なNFBループを形成しています。
Q2はダイオード接続で、Q1とQ2のベース電圧は同一であるため、Q1とQ2の特性が等しいものであれば、Q1のエミッタ電流IE1とQ2のエミッタ電流IE2は等しくなります。

I1はQ1のコレクタ電流IC1とQ3のベース電流IB3に分流し、IB3はI2と合流しQ3のエミッタ電流IE3となりますが、今度はIE3からQ1のベース電流IB1に分流してそれがIC1と合流しIE1となるので、I1から分流したIB3がIB1となって戻ってくることになり、IB3とIB1が等しければI1=I2となります。

 

5. 高精度ウイルソン・カレントミラー

右図のように、Q1のコレクタ-エミッタ間電圧VCE1とQ2のコレクタ-エミッタ間電圧VCE2を等しくするため、ダイオード接続したQ4による電圧ドロッパーを入れた回路です。こうすることでQ1とQ2の動作条件が等しくなるため、温度ドリフトが減り、I1=I2がより高精度で達成できるようになります。

 

6. スーパーリニア・サーキット

パイオニアの無帰還アンプに使われたテクニックです。
Q3とQ4によるカレントミラー回路によって、Q2のコレクタ電流I3と同じ電流がQ1のエミッタ電流となるため、Q1のベース・エミッタ間電圧VBE1とQ2のベース・エミッタ間電圧VBE2が等しくなり、RBとREに発生する電圧が等しくなる。よって、RB=REならI1=I4となります


更新記録
2000/01/23  初版掲載