电流源电路

第四章模拟集成基本单元电路§3－1半导体集成电路概述§3－2恒流源和稳定偏置电路§3－3差动放大电路§3－4功率输出级电路重点和难点：1、典型电流源电路的结构和分析。2、差动放大电路的结构、功能特点、性能指标及其估算。3、互补对称功率放大器的结构、特点、性能指标及其估算。§3-1半导体集成电路概述——是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。它的体积小，而性能却很好。集成电路：IntegratedCircuit（IC）*集成电路按处理信号的类型可分为数字IC和模拟IC。*模拟IC：通用模拟IC和专用模拟IC。*通用模拟IC：运算放大器、宽带放大器、功率放大器、模拟乘法器、稳压器、锁相环等。一、模拟IC的工艺特点（P126)EC-ECC1C2CeRb1Rb2ReRLRCRSuSEC+-+-uo1．制造数十皮法以上的电容将占用很大的硅片面积，电路中使用电容非常不合算，无法集成电感元件，所以集成运放都是采用直接耦合方式。2．元器件参数精度差，但对称性好，所以大量采用对管结构。4．电阻值越大，占用硅片面积越大，所以大电阻常用BJT或FET代替。3．晶体管(BJT)按标准工艺制作，成本低且占用硅片面积小。二极管一般都用BJT的一个PN结担任，不再用专门工艺生产。原则：多用晶体管，少用电阻，尽量不用电容，不能使用电感。二、集成运放及其基本组成——集成运放即集成运算放大器，是一个高性能的直接耦合多级放大器，是模拟电路中最重要的通用型集成电路。输入级中间级输出级偏置电路u+u-uO集成运放的基本组成偏置电路：向各放大级提供偏置电流，采用电流源电路。输入级：应尽量减小零点漂移，采用差动放大电路；中间级：输出级：主要承担电压放大作用，采用共射或共源放大电路；应有较强的带负载能力，采用互补推挽功放电路。§3-2集成运放中的电流源电路集成运放中的BJT（FET）除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态偏置；或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而提高电路的放大能力。一、BJT电流源电路1、基本镜像电流源2、精密镜像电流源3、高输出阻抗串接镜像电流源4、威尔逊电流源5、比例电流源6、微电流源1、基本镜像电流源ECRT1T2IRIC1IC22IBIBIB（1）电路结构：T1、T2为NPN型对管，要求对称：;21;21SSSIIIEC、R、T1为电路提供基准电流IR；T2提供输出电流IC2。（2）电路分析（求输出电流）：;21BEBEBEUUU;21BBBIII;21CCIIRERUEICBECR//)(2222CBCRIIIIRCII22REIICRC/2当2时，则有：输出电流与晶体管参数无关，稳定；受电源影响较大，要求电源十分稳定。输出电流与基准电流成镜像关系。（3）误差及稳定度：①输出电流与基准电流存在误差。相对误差22/||CRCIII/2②电流源的输出电阻较小，稳定度不高。22/CAceOIUrr采用改进型的镜像电流源可以提高电流源的精度和稳定度（P134表4-2）。2、比例电流源电路分析：222111RIURIUEBEEBE0211122BEBEEEUURIRI111RRUEIIIBECRRE，设各个BJT的参数相同，ECRT1T2R1R2IRIC1IC2IB1+IB2IB2IB1IE1IE2输出电流与基准电流成比例关系。1122RIRIEEREECIRRIRRII21121221212EEIRRI实际中，为降低功耗，输入级要求微安级的偏置电流，基本镜像电流源和比例电流源所需的电阻将达兆欧数量级，在集成电路中无法实现。3、微电流源只要几千欧的R2，就可以得到几十微安的微小输出电流。ECRT1T2R1R2IRIC1IC2IB1+IB2IB2IB1IE1IE222122/)(RUUIIBEBEEC很小，几十mVRUEIBECR/)(1定性分析：定量分析：222221RIRIUUCEBEBETBEUUSEeII/SCTSETBEIIUIIUUlnlnSCTSCTBEBEIIUIIUUU2121lnln21lnCCTIIU22RIC2122lnCCTCIIRUI22lnCRTIIRU根据需要的电流IC2和参考电流决定发射极电阻：222lnCRCTIIIUR一般设计中：微电流源可以提供较小的输出电流。VCCTRVZRe4、三种基本电流源比较ECRT1T2ECRT1T2R1R2ECRT1T2R25、其他BJT电流源电路①稳压管电流源-VEETR1R2Re②电阻分压电流源IOIOIOIO1IO2ORTOIIRUIln2ROIRRI21ROII基本镜像电流源比例电流源微电流源eBEZEORUUII1eBEEEORUVRRRI21226、多路电流源电路集成运放是多级放大电路，需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流。可以用一个基准电流获得多个不同的输出电流，以适应各级需要。（1）基于比例电流源的多路电流源VCCRT1T2IRIC2T3IC3ICnRe1Re2Re3Ren（2）多集电极管构成的多路电流源IRIBVCCIC1IC2IC3通过改变发射极电阻获得各种数值的电流通过改变集电区面积获得各种数值的电流1.基本MOS恒流源电路（电流镜）M1、M3管栅极与漏极间短路，一定工作在恒流区，根据式MOSFET管在恒流区的大信号特性方程：;)(212GS1(th)GS1n1D1RUUIIn1D1GS1(th)DS1GS12IUUU要求三管对称：开启电压、宽长比相等，增益系数相等。n1D1GS1(th)GS2GS1D222IUUUE2GS1(th)Dn1D1R)2(81UEII二、MOS电流源电路RIIIID1D2O因FET的栅极不取电流，所以精度比BJT电流镜高。2.MOS比例恒流源由于MOS管的ID与W/L成正比，因此用不同的尺寸就可以得到成比例的电流源。;//112202RILWLWIRILWLWI113303//欲获得更好的恒流特性和更大的动态内阻，可采用MOS威尔逊电流源.它的工作原理与BJT的Wilson电流源基本相同,设I0因某种因素的变化而变大时,则ID3,ID2,IR均随之增大,则UR压降随之增大,导致UGS1减少，反过来促使I0（即ID3）回落.因有内部负反馈,I0≈IR，且误差很小。3.MOS威尔逊恒流源三、电流源电路的作用1、作偏置电路，给放大电路提供稳定的静态偏置。IREF三、电流源电路的作用1、作偏置电路，给放大电路提供稳定的静态偏置。IREF2、作为放大电路的负载（有源负载放大电路）目的：提高增益ECRT1T2T3IRiC1iC2+-ui+-uO①静态分析;RUEIBECRRCCIII221说明：计算静态电流应从恒流源入手。T1+-ui-uO+IC2rce2EC②交流等效电路T1+-ui-uO+rce2交流通路12beceurrA负载（1）有源负载共射放大电路：（2）有源负载射极跟随器①电路结构+ECRT1T3T2+-ui+-uOR1R2-EERL13RRUEIBEERIRIE3;3REIIIC2RCIRRI212②求静态工作点11EBIIIE1IB1IL;21LCEIIILCERII/7.021VUE7.01③交流等效电路+ECrOT1+-ui+-uORL-EEIC2T1+-ui-uO+rORL交流通路说明：任何电流源电路都可以用电流源的符号表示，电流源的电流和内阻分别等于电流源电路的输出电流和输出电阻。(3）E/E型共源放大电路因uGS2=uDS2=uBS2=u0，即有源负载T2管的等效电路来说，压控电流源gm2uGS2和gmb2uBS2的端电压都等于端电压u0，所以可等效成电阻1/gm2和1/gmb2。uGS2uBS2uDS22222111mdsmbmdsogggggr221121//LWLWggmm22211dsmbmdsmugggggA（4）E/D型共源放大电路该电路可使电压增益大大提高，其原因是M2管的uGS2=0，消除了受控电流源gm2uGS2，而uBS2=uDS2。下图是其低频小信号的微变等效电路。uGS2=0uBS2uDS2可以看出:2mb1m2ds2mb1ds1muggggggA2mb2ds2mb1ds0g1ggg1r（5）CMOS型放大电路一般把由NMOS和PMOS相组合的互补放大电路称为CMOS型放大电路。右图是以E型PMOSFET管M2，M3构成的镜像电流源为有源负载，E型NMOSFET管M1为放大管。由于与放大管M1互补的有源负载具有很高的输出阻抗，因而低频电压增益很高由电路图可知:ds2ds1m1urrgAds2ds1o1rrr§4.3差动放大电路一、差动放大电路的相关概念直接耦合放大器的最主要问题是零点漂移问题，解决零漂最有效的办法是采用差动放大电路，因此集成运放的输入级通常都采用差动放大电路。二、基本差动放大电路三、差动放大电路的动态分析四、差动放大电路的大信号传输特性一、差动放大电路的相关概念1、“差动放大”的含义是什么？差动放大电路有哪些主要特点？2、差模、共模、任模信号的定义？任模信号如何分解？3、差动放大电路常用哪些输入、输出方式？差放的性能特点：放大差模，抑制共模，能有效抑制零点漂移。1、差动放大电路的特点差放的结构特点：平衡（对称）差放常作为集成运放、数据放大器、电压比较器等的输入级。差动放大电路也叫差分放大电路，简称差放。即差放只是放大两个输入信号之差。差放ui1ui2uO1uO212“差动”——输入有差别，输出才变动。2、差模、共模和任模输入信号差放ui1ui2共模信号：（大小相等极性相同）差模信号：（大小相等而极性相反）ui1=ui2=uiC21iiuu任模信号：ui1、ui2既非共模信号亦非差模信号。任意的任模信号都可以分解为共模分量与差模分量的组合。;21iiiduuu);(2121iiiCuuu;211idiCiuuu;212idiCiuuu3、任模信号的分解差模分量：考考你：差放的一端输入为1mV，且差模输入分量与共模输入分量相等，则另一端的输入信号为多少？分解目的：方便应用差放对不同信号的放大公式。共模分量：差放+-ui+-uO单端输入—单端输出差放+-uO+-ui双端输入（浮地输入）差放+-ui+-uO单端输入—双端输出（浮地输出）差放+-ui+-uO双端输入—双端输出（浮地输入）（浮地输出）—单端输出4、差放的输入、输出方式二、基本差动放大电路1、长尾式差动放大电路（1）电路结构（对称，平衡）①T1、T2差分对管组成对称电路。②采用双电源供电——EC＝-EE。;21CCCRRR;21bbbRRR;21bebeberrr21③T1、T2的发射极同时接长尾电阻Rem，其作用是引入共模负反馈，有效抑制零点漂移。T1RbRb-EERemuO1ui1RCECRCui2T2uO2iBiBiCiEiE2iEiC双端输出时，可以实现零输入－零输出。加上正的共模信号21BBii021CCouuu21CCuu加上差模信号21,BBii21,CCuuT1RbRb-EERemuO1ui1RCECRCui2T2uO2iBiBiCiEiE2iEiC电路理性对称时，双端输出差放的共模输出信号为零。对差模输入信号有放大作用。（2）抑制零点漂移的原理①利用对称性抑制共模、放大差模)(21CCouuu电路理性对称时，双端输出差放的共模输出信号为零。对差模输入信号有放大作用。（2）抑制零点漂移的原理①利用