6-3-电流源电路

西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.611、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等3、电流源电路一般都加有电流负反馈。4、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。6.3.0电流源概述6.3电流源电路电流源是一个输出电流恒定的电源电路，它具有很高的输出电阻。对提高集成运放的性能起着极为重要的作用。一、电流源电路的特点：西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.622、作各种放大器的有源负载，以提高增益、增大动态范围。1、给直接耦合三极管放大器的各级电路提供直流偏置电流，以获得极其稳定的Q点。3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性增长的电压输出。4、电流源还可单独制成稳流电源使用。二、电流源电路的用途：下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运放中常用的电流源电路。西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.63图(a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特性曲线。由图可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也不击穿，IC就基本恒定。因此，固定偏流的晶体管，从集电极看进去相当于一个恒流源。IC0IBUCER1R2ICR3－UEEICRo(a)(b)(c)6.3.1单管电流源电路由交流等效电路知，它的ce端动态内阻为rce，是一个很大的电阻。为了使IC更加稳定，可以采用分压式射极偏置电路(即引入电流负反馈)，便得到图(b)所示的单管电流源电路。图(c)为该电路等效的电流源表示法，图中Ro为等效电流源的动态内阻（输出电阻）。利用图(b)电路的交流等效电路可以证明，Ro近似为：)'1(33BbeceoRRrRrR式中，R’B=R1‖R2。用普通的三极管接成电流负反馈电路，即可构成一个基本的电流源电路。西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.64需要指出，晶体管实现恒流特性是有条件的，即要保证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。分压偏置基本放大电路(a)(b)三极管电流源分压偏置电路对工作点具有稳定作用，也就是对IO有稳定作用，具有稳流特性。电流源的内阻大，内阻越大稳流特性越好。西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.656.3.2作为有源负载的电流源电路恒流源在集成电路中除了设置偏置电流外，还可以作为放大器的有源负载，以提高电压放大倍数。我们知道，放大电路的电压放大倍数正比于负载电阻R‘L。LCLRRR//'可见，提高RC可提高放大倍数。但RC增大，会影响静态工作点，使放大电路的动态范围减小。而电流源具有交流电阻大，直流电阻小的特点，故用电流源代替电阻RC，将有效地提高该级的电压放大倍数。IRRV3V1RLRbUs＋－UBBIC2V2＋UCC共射放大器图6–19有源负载共射放大器'LubeRAr西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.66恒流源作为有源负载的目的：——提高放大倍数电压放大倍数：当Rc趋于无穷时，RL’最大，此时电压放大倍数也最大。LCLRRR//''LubeRAr西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.67西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.686.3.2镜像电流源电路IR＋UCCR2IBRL＋UCCIB1IB2IE1IE2IC1V1V2IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoIB2IDE1IE2V2VDE1(a)镜像电流源(b)镜像电流等效电路IC2＝Io图6–14镜像电流源及等效电路在单管电流源中，要用三个电阻，所以不便集成。为此，用一个完全相同的晶体管V1,将集电极和基极短接在一起来代替电阻R2和R3，便得到下图（a）所示的镜像电流源电路。西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.69因为V1管的集电极和基极之间短路,所以V1管仅仅相当于一个由其发射结构成的二极管,将其记作VDE1,因此,图6-14(a)可以等效为图6-14(b)。1kTqUsDeII11111BEqUkTDEsIIe22221BEqUkTEsIIe由第一章公式(1-1)可知,PN结的伏安特性方程为：所以流过V1管与V2管发射结的电流分别为：西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.6102222222221212CCCBBCBEBDERIIIIIIIIIIIIR＋UCCR2IBRL＋UCCIB1IB2IE1IE2IC1V1V2IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoIB2IDE1IE2V2VDE1(a)镜像电流源(b)镜像电流等效电路IC2＝Io由于两管特性相同，所以有：21ssII21TT21BEBEUU21EDEII西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.611所以当UCCUBE2时,RUICCR当β2,UCCUBE2时,则：RUIIICCRCo2当β2时,2CRII又因为：RUUIBECCR2IR＋UCCR2IBRL＋UCCIB1IB2IE1IE2IC1V1V2IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoIB2IDE1IE2V2VDE1(a)镜像电流源(b)镜像电流等效电路IC2＝Io可见，只要IR一定，IＣ2就恒定；改变IR，IC2也跟着改变。IR、Io两者的关系好比物与镜中的物像一样，故称为镜像电流源。221CRII西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.612TTo=IVR由于T2的集电极电流基本不变。所以交流量0TITTo=IVR一般Ro在几百千欧以上镜像电流源电路的交流电阻：西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.613该电路的缺点：⑴受电源的影响大。⑵难于做成小电流的电流源。⑶电流源的输出电阻还不够大。⑷Io与IR近似相等，精度不高。当β2,UCCUBE2时,则：RURUUIIICCBECCRCo22221CRII为提高电流源的精度和电路的动态输出电阻，可采用威尔逊电流源。西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.6146.3.3威尔逊电流源是为了在低的情况下仍能获得较好的镜像特性而设计的。电路如下图：图中V1、V2、V3的特性完全相同。V1与V3工作在放大状态；V2相当于一个由发射结构成的二极管。RL是后级电路的等效电阻。图6–15威尔逊电流源及等效电路IR＋UCCRRL＋UCCIC3＝IoIB1IB2IE3IC1V1V2(a)威尔逊电流源(b)威尔逊等效电路2IBV3IB3IC2IR＋UCC＋UCCIC3＝IoIE3V1V3IB3IDE2IE1IC1IB1VDE2RRL西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.61512EDEII1111111121322CCBCBBEBDEBEIIIIIIIIIII3331EECIII1131221CCCIII由上面可知：IR＋UCCRRL＋UCCIC3＝IoIB1IB2IE3IC1V1V2(a)威尔逊电流源(b)威尔逊等效电路2IBV3IB3IC2IR＋UCC＋UCCIC3＝IoIE3V1V3IB3IDE2IE1IC1IB1VDE2RRL西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.6163311CRBRCIIIII当(β2+2β+2)2时,RCoIII3IR＋UCCRRL＋UCCIC3＝IoIB1IB2IE3IC1V1V2(a)威尔逊电流源(b)威尔逊等效电路2IBV3IB3IC2IR＋UCC＋UCCIC3＝IoIE3V1V3IB3IDE2IE1IC1IB1VDE2RRL1131221CCCIII222123RCoIIIRUUUIIIBEBECCRCo23332ceorr西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.617当β=20时,威尔逊电流源的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是：%45.0442222222RRoRoIIIII%1.922222211RRCRCIIIII而镜像电流源的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是：RUUUIIIBEBECCRCo23332ceorr西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.618IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoV1V2IE2Re1Re2IE1IB26.3.4比例电流源图6–16比例电流源上面讨论的都是Io等于IR的镜像电流源，但是在模拟集成电路中也常常需要Io不等于IR的恒流源。其常用电路如图所示的比例电流源。在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.619222111RIURIUEBEEBE因为122121221222111lnlnlnlnEETEETBEBESESSETBESETBEIIUIIUUUIIIIIUUIIUU所以由于V1与V2的特性完全相同，所以有因两三极管基极对地电位相等，于是有：1kTqUsDeII当两管的射极电流相差10倍以内时：mVUIIUUUTEETBEBE6010lnln2121西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.620即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时两管UBE电压(600mV)的10%。因此，可近似认为UBE1≈UBE2。2211eEeERIRImVUIIUUUTEETBEBE6010lnln2121222111RIURIUEBEEBE当β1时RBREoCBCEIIIIIIIII21222221eoeRRIRI21eeRoRRIIReeoIRRI21可见，Io与IR成比例关系，其比值由Re1和Re2确定。参考电流IR现在应按下式计算：111eCCeBECCRRRURRUUI西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.621所以在的范围内101.0RoII12121eCCeeReeoRRURRIRRI当时,上式不再成立,可用下式估算：101.0RoRoIIII或oReTReeCoIInRUIRRII1221222221beeeceorRRrr由于Re2引入了电流负反馈，所以输出电阻ro要比V2的本身的输出电阻大的多：西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.6226.3.5微电流源IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoV1V2IE2Re2IE1IB2图6–17微电流源在集成电路中，有时需要微安级的小电流。如果采用镜像电流源，R势必过大。这时可令图6–16电路中的Re1=0,便得到图6–17所示的微电流电流源电路。IR＋UCCRRL＋UCCIC2＝IoV1V2IE2Re1Re2IE1IB2图6–16比例电流源西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.6232212eEBEBERIUU由电路图可知：UBE2UBE1，则IE2IE1222222211EBECoEEBIIIIIIII因为IB2IE2IE1，所以：121EBERIIII可见，RoII把Io≈IE2,IR≈IE1代入IE2IE1得IoIR。正确地选取Re2的值,可以使Io达到微安量级,而此时IR仍然很大,所以限流电阻R=(UCC-UBE1)/IR不会太大。可见,该电路能够在R不太大的条件下,获得微小的输出电流。西安电子科技大学计算机学院吴自力2015.624定量分析如下：2221111,1SETBESETBEIInUUIInUU21211EETBEBEIInUUU式中UT是温度电压当量；IS1与IS