カレントミラー
トランジスタQ2がVCB > 0 Vを満たすとき、トランジスタの特性はもはや一致していない。特に、βは以下のようにアーリー効果によって異なってしまう。
β 1 = β 0 β 2 = β 0 ( 1 + V C B V A ) {\displaystyle {\begin{aligned}\beta _{1}&=\beta _{0}\\\beta _{2}&=\beta _{0}\left(1+{\frac {V_{\rm {CB}}}{V_{\rm {A}}}}\right)\end{aligned}}}
ここで、VAはアーリー電圧、β0はVCB = 0 Vの時のβの値である。β0は流れる電流の大きさに依存し、そして今二つのトランジスタは異なる電流が流れているため、アーリー効果の違いに加えβ0の値も異なるであろう。(Gummel–Poonモデルも参照のこと)。
更に、流れる電流の違いによりQ2はQ1よりも消費電力が大きく、より熱を発するかもしれない。
出力抵抗の理想的な取り扱いは注釈を参考のこと。上記の議論の理想的な場合、つまりオペアンプのゲインが無限大である場合の表式は以下の通りである。有限のゲインAvを持つオペアンプ以外はすべて理想的な素子を用いた小信号回路は図5の通りである(β, ro, rπ はいずれもQ2のパラメータである)。図5の等価回路を導出するにあたり、図3のオペアンプの正端子への入力は交流的に接地されているため、オペアンプへの入力は負端子に単にエミッタ電圧Veが入力されており、したがって出力で電圧は−Av Veである。オームの法則を入力抵抗rπに適用することで、小信号ベース電流Ibは以下のように表される。
I b = V e r π A v + 1 {\displaystyle I_{\rm {b}}={\frac {V_{\rm {e}}}{\frac {r_{\pi }}{A_{v}+1}}}}
この結果とREに関するオームの法則と合わせることで、Veは消去することができ、以下を得る。
I b = I X R E R E + r π A v + 1 {\displaystyle I_{\rm {b}}=I_{X}{\frac {R_{\rm {E}}}{R_{\rm {E}}+{\frac {r_{\pi }}{A_{v}+1}}}}}
カレントミラー(英 : Current mirror)とは、能動素子を用いて他の回路に流れる参照電流をコピーし、負荷にかかわらず出力電流を参照電流と同じ値に保つことができる電子回路である。その「コピー」される電流は時に信号電流であってもよい。
概念的には、理想的なカレントミラー回路は電流方向を逆にする理想的な「反転電流増幅回路」である。あるいは、電流制御電流源(CCCS)であるとも言える。カレントミラーはバイアス電流と能動負荷を回路に供給するためだけに用いられるのでなく、より現実的な電流源のモデルとしても用いられる(理想的な電流源は存在しないため)。
ここで扱う回路構成は、多くの半導体集積回路で用いられているものであり、それは出力トランジスタ側でのエミッター減衰抵抗のないワイドラー電流源に相当する。この構成は、集積回路でのみ用いられる。なぜなら、2つのトランジスタの特性が極めて近くなければならず、それはディスクリート素子では実現不可能だからである。
他の回路構成としては、ウィルソン・カレントミラー回路がある。このウィルソン回路はアーリー効果に起因する問題を低減することができる。
↑ 出力抵抗を大きく保つことは、MOSFETを飽和領域に保つこと以上の意味がある。それは、実際のMOSFETの出力抵抗は飽和領域に入る時にだけ増加しはじめ、そしてVDG ≥ 0 Vのときにのみ最大値に近くなるまで増加するからである。
↑ もしオペアンプを電圧V1 = V2であるようなヌラーで置き換えた場合、ソース端を流れる電流は一定値に保たれる。これは、トランジスタのエミッタ電流も同じであることを意味する。もしもQ2のVCBが増加したとき、出力トランジスタのβもアーリー効果によって増大する:β = β0(1 + VCB/VA)。結果として、IB = IE / (β + 1) で与えられるQ2のベース電流は減少し、出力電流IOUT = IE / (1 + 1 / β) はわずかに増大する(βがわずかに増大するため)。
バイポーラトランジスタは最も簡単な電流-電流変換器であるが、その伝達比は温度変化、βの公差に大きく依存する。これらの変動を除去するために、カレントミラー回路は同じ条件で配置された2つの電流-電圧変換器、電圧-電流変換器をカスケード接続している。
これらの変換器は必ずしも線形動作である必要はなく、必要なことはただその特性が対称的であることである(例えば、以下で見るようにバイポーラトランジスタでのカレントミラー回路では、出力は入力に対して対数的な変化であったり指数的な変化である)。
通常、二つの同一の変換素子が用いられるが、片方の素子の特性は負のフィードバックをかけることによって反転することができる。例えば、バイポーラトランジスタのベース-エミッタ間に電圧を入力し、コレクタ電流を出力する場合を考えると、トランジスタは入力に対して指数関数的に出力が変化する電圧-電流変換器となる。入力に負のフィードバック(簡単にはベースとコレクタを接続)を行う事でトランジスタ動作を「反転」することができ、対数的に出力が変化する電流-電圧変換器となる。つまり所望のコレクタ電流が流れるように「出力」であるベース-エミッタ間電圧が自動的に決定されるということである。
したがって、カレントミラー回路は2つの等価な変換器(一つは反転動作、もう一つは通常動作)のカスケード接続から構成されていると言える。