バイポーラ接合トランジスタ回路におけるカレントミラーの理解

バイポーラ接合トランジスタ（BJT）カレントミラー

カレントミラーは最も広く使用されるBJT回路の一つです。広範な負荷抵抗範囲で負荷を流れる電流をほぼ一定に保つ、シンプルで信頼性の高い電流レギュレータとして機能します。

アクティブモードでは、コレクタ電流（I_C）はベース電流（I_B）にトランジスタの電流利得βを乗じた値に等しくなります。コレクタ電流とエミッタ電流の比はαで、βからα = β/(β+1)として導出されます。この関係は、固定ベース電流がI_Cを決定するのと同様に、トランジスタがアクティブ領域に留まる限り、固定エミッタ電流もI_Cを固定することを示しています。

BJTのベース-エミッタ接合はPNダイオードのように振る舞います。よく知られたダイオード方程式は、与えられた順方向電圧と温度での接合電流を予測します：

ダイオード方程式

順方向電圧と温度が一定に保たれるなら、PN接合電流は一定です。したがって、一定のベース-エミッタ電圧（V_BE）を維持すれば、エミッタ電流（I_E）ひいてはコレクタ電流（I_C）が一定に保たれます。ただしトランジスタがアクティブモードを維持するために十分なV_CEがあることが条件です。

V_BEを一定に保つため、順方向バイアスされたダイオードをベース-エミッタ接合と並列に配置します：

このダイオードは約0.7 Vの降下を確立し、ベース電圧、ひいてはベース、エミッタ、コレクタ電流を安定させます。実際の電圧は電流と温度でわずかに変化しますが、ダイオードとトランジスタのベース-エミッタ接合は同じPN接合物理を共有するため、エミッタ電流はダイオード電流を忠実に追従します。バイアス抵抗（R_bias）を調整するとダイオード電流が変化し、これが直接エミッタ電流とコレクタ電流を設定します。

典型的なBJTのαは1に近いため、コレクタ電流は本質的にダイオード電流をミラーします。R_loadを流れる負荷電流はしたがってバイアス抵抗によって設定され、カレントミラーは単一抵抗で負荷電流を調整する便利な手段となります。

2つのPN接合をより厳密にマッチングさせるため、ダイオードの代わりに第2のトランジスタを使用し、カレントミラー構成でマッチしたトランジスタペアを得ることができます：

温度マッチングは重要です。ダイオード方程式は温度依存だからです。ディスクリート部品は裏面同士を接着し、ICではマッチしたトランジスタを近接配置して均等な加熱を確保します。

2つのNPNトランジスタで示したトポロジ（図a）は電流シンクミラーです：制御トランジスタが負荷からグランドへ電流を引き込みます。接地負荷が必要な場合は、PNPトランジスタを用いた電流ソースミラー（図b）が使用できます。

IC設計では、抵抗はしばしばトランジスタベースの電流源で置き換えられます。単一の電圧リファレンスが複数のカレントミラーを駆動できます：Q2、Q3、Q4が同じリファレンス電流を共有し、それらの負荷電流はトランジスタ面積に比例してスケーリングされます。例えば、面積が2倍のトランジスタは2倍の電流を供給し、並列抵抗の必要性を排除します。

カレントミラーは集積増幅器で負荷デバイスとして頻繁に使用されます。例えば741オペアンプでは、Q13のミラーがQ15とQ17の抵抗負荷を置き換えており、ミラーが高密度ICで抵抗を置き換える様子を示しています。

復習：

• カレントミラーは、シンプルなバイアス抵抗で負荷電流を固定するトランジスタ回路です。
• 精密動作にはトランジスタが同温度である必要があります。ディスクリート部品は接着、ICでは近接配置で実現。
• カレントミラーには2つの基本構成があります：電流シンク（NPN）と電流ソース（PNP）。

関連ワークシート：

• 増幅器回路におけるアクティブ負荷ワークシート
• 差動トランジスタ増幅器ワークシート