在许多经典的悬疑电影中，你常会看到审讯室里有一面“双面镜”(two-way mirror)。这种设备能让证人在隔壁房间看到嫌疑人，但嫌疑人只能看到自己。这种效果的实现取决于哪一边的光比较亮：亮的一侧会反射，就成了镜子；暗的一侧则成了观察窗。
那这跟电子有什么关系呢？
本文所介绍的是一个“双向电流镜”(two-way current mirror)设计。就像光学双面镜一样，这个电流镜会依据哪一端电压比较高来决定是传输电流，还是镜像电流。它只需两个双极性晶体管(BJT)和一个二极管，并应用在图1中的555三角波压控振荡器(VCO)内，电路中黄色标示区的即为本电流镜架构。
图1：D1、Q3与Q4组成双向电流镜。当OUT相对于C1为负时，Q3的基极-集电极结以被动方式导通Q2的集电极电流至C1；当OUT为正时，它转为主动反相单位增益电流源，并反转极性输出。
我们将D1的节点称为输入端，C1的节点为输出端。当555的OUT引脚为低电平时，D1以及整个电流镜会进入反向偏置状态。此时，Q2的集电极电流I无处可去，便会正向偏置Q3的基极-集电极结，如图2所示。这样Q2就与C1相连，让电流I线性地使C1负向上升。
图2：当OUT为低电平时，Q4截止，Q3进入饱和状态，将负电流I传送至C1。请确保Vin < 1V，以避免Q2进入饱和。
而当C1的电压降到U1的触发电压(1.33V)时，OUT会切换为高电平。此时电流镜极性反转，进入正向偏置状态，Q3与Q4的发射极会相对于C1拉高。此时Q3与Q4形成标准的主动单位增益电流镜，开始将一个极性反转后的正电流I输出至C1，如图3所示，使其线性充电。
图3：当OUT为高电平时，电流镜转为主动状态，将电流I反向为正电流为C1充电。
当C1的电压充到U1的上阈值(3.67V)时，OUT又会快速转为低电平，进入下一次震荡循环，最终产生一个理论上对称的等腰三角波波形。仍需注意，Vin应控制在1V以下。
双晶体管的经典电流镜在众多电子设计文献中都有详细分析，包含其优点与限制。这个双向镜的设计也可用NPN晶体管制作别的版本。若将Q2改为电流源，整体工作原理仍成立。
那么，D1的用途是什么？你可能会问：既然OUT为低电平时两个晶体管的发射极都处于反向偏置，理论上输入端应无电流流动，那D1是不是多余的？
答案是否定的，因为关键在于所谓的“反向β值”(reverse beta)。
事实上，当你将BJT的基极-发射极反向偏置，而基极-集电极偏置为正向时，从集电极到发射极的电流可能显著增加。虽然此时的电流增益(β)远低于正常模式，但仍远大于漏电流，因此不能忽略这部分电流，D1就是为了防止这种情况而设的。
这就是有关于这个双向电流镜的全部内容，希望你喜欢。也许对你来说这是个老设计了，但当初这个想法出现时对我来说还是个新鲜事，未来希望有更多应用可以分享给大家。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：A two-way mirror—current mirror that is。)
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