北京交通大学模拟电子技术4

双极型模拟集成电路电流模电路功率输出级电路集成运算放大电路电流模电路概述镜像电流源概述电流模电路以电流作为参量来处理模拟信号的电路电流模技术以电流作为参量来分析、设计电路的一种方法。1.电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用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。2.电流源电路用于模拟集成放大器中以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。3.用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性4.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、跨导线性电路等。镜像电流源电路T1T2RIrIoEc基本恒流源Ib1Ic1Ib2Ic2由于两管特性相同，基射相同21c2c1b2b1IIIIb2b1c1rIIIIb2c22II/2c2c2rIII)/21(c2I由电路可得：RUEIbecr若1rc1c2oIIII即从工作管输出的电流近似恒定的，电路是一恒流源电路。在集成电路中基本恒流源由双集电极横向PNP管组成。有两个集电极且面积相等RIrIb1Ic1Ic2Ec工作三极管的集电极电流是电流源电路的镜象(电流相等）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。因两三极管基极对地电位相等，于是有:镜像电流源比例电流源Io2e2be21e1be1RIURIUbe2be1UU因2e21e1RIRIrc1e1IIIoc2e2III21e1e2roRRIIIIr21oIRRI在集成电路中，常用改变T1、T2的发射极面积之比来实现比例电流源的。不需另外制作电阻。e2e1e2e1c2c1SSIIIIre2e1oISSISe1、Se2分别为T1、T2管发射极的面积。镜像电流源微电流源通过接入R2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源（A级），适用微功耗的集成电路中。IoUbe1=Ube2+Ie2ReIe2Re=Ube1-Ube2Io≈Ie2=(Ube1-Ube2)/R2=Ube/R2由PN结电流方程可知：Ube1=UTln(Ie1/Ies1)Ube2=UTln(Ie2/Ies2)ln(Ir/Io)=IoR2/UT一般Ies1=Ies2由Ir=(Ec-Ube1)/R,而Io=Ube/R2,所以IoIr且Io比Ir的稳定性要好。镜像电流源威尔逊电流源传输精度高Ir=Ic1+Ib3=Ic1+Ic3/3Ic1=Ic23e33c31II2c21c1c2e3βIβIII三只管子的特性一致即值相同)221(2c3rII基本电流源)21(c1rII镜像电流源多路恒流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源，一个基准电流Ir可获得多个恒定电流Io1、Io2。功率输出级概述甲类功率输出级乙类功率输出级甲乙类功率输出级概述功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使输出信号电压大；输出信号电流大；放大电路的输出电阻与负载匹配。电压放大器与功率放大器的区别：1.任务不同：电压放大—不失真地提高输入信号的幅度，以驱动后面的功率放大级，通常工作在小信号状态。功率放大—信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，通常工作在大信号状态。2.分析方法：电压放大—采用微变等效电路法和图解法功率放大—图解法概述实例—典型的收音机电路变频低放中放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW电源供给的功率：PDC=EcIc=120mW25%100%DCoPPη转换效率：电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电路中的工作管必须加散热片。概述功率放大电路中的一些特殊问题1.要求尽可能大的输出功率。管子工作在极限的工作状态。2.效率=负载得到的有用信号功率Po电源供给的直流功率PDC3.非线性失真要小。在大信号状态工作必然引起失真的问题，这就存在增大输出功率和失真严重的矛盾，这就要求在电路结构上进行改进，尽可能大的提高输出功率，减小非线性失真。4.半导体三极管散热的问题常见功放的静态工作状态甲类乙类甲乙类甲类功率输出级T1—射极跟随输出。T2—恒流源偏置电路，提供一个固定的偏流，有源负载。双电源供电使静态工作时Uo=0。静态：1.由恒流源提供一个稳定的ICQ。2.IBQ=ICQ/3.UCEQ=Ec射极跟随甲类输出级的结构T1IcQT2Ec-EcUiRLUoR1D1R3IoR2甲类功率输出级射极跟随甲类输出级的工作原理设输入Ui为一正弦信号当Ui0时，T1导通，输出电压Uo的最大峰值为：Uom=Ec-Uces1≈Ec输出电压的有效值为：T1IcQT2Ec-EcUiRLUoR1D1R3IoR22/omoUU当Ui0时，T1截止，输出电压Uo的最大峰值为：Uom=-Ec+Uces2+IcQR2≈-Ec输出电压的有效值为：2/cE2/omoUU2/cEUces1(2Ec-Uces2-IcQR2)甲类功率输出级射极跟随甲类输出级的工作原理输出功率Po:L2oo/RUPL2/2REc直流电源提供的功率PDC:L2cLcccQcDC/2)/(22REREEIEP转换效率：%25/DCoPP（最高）效率低原因：静态电流造成的管耗较大，如果将Q下移，使信号等于零时，电源的输出等于零或很小，信号增大时，电源供给的功率增大，这样便可解决效率低的问题。集电极最大功耗：oDCCmax4PPP乙类功率输出级电路组成由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。电路工作原理当Ui=0即静态时，Uo=0。当Ui处于正半周时，T1导通，T2截止,流过RL的电流为ie1。ie1ie2当Ui处于负半周时，T1截止，T2导通,流过RL的电流为ie2。由于管子的对称性，ie1=ie2，在负载上获得完整的正弦波形。乙类功率输出级电路工作原理当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电。有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电。有电流通过负载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。ie1ie2ic1uBEIcm1Qic2uBEIcm2QQQ乙类功率输出级功率分析1.交流输出功率Po输入信号处于正半周时，输出电压的峰值Uom=Ec-Uces1≈Ec输入信号处于负半周时，输出电压的峰值Uom=-Ec-Uces2≈-Ec22omomoooIUIUPL2om2RUL2co2(max)REP2.电源提供的直流功率PDC每管工作半周的平均电流为：πdπ21omπ0e1单）DC(ItiIcDC单DCEIPLcomπREU乙类功率输出级功率分析2.电源提供的直流功率PDC单DCPLcomπREUDC双PLcomπ2REUaxDCmPL2cπRE3.效率maxDCmaxo/PP%5.784/4.集电极的最大功耗PcmaxoDCcPPPoocπ2π2PPE可推得：o2oL2c2cmax4.0π4π2PPREPocmax2.0PP单甲类功放乙类功放oPL2/2REcL2cDC/2REP%25ocmax4PPL2co2/REPDCPL2cπ/RE%5.87ocmax4.0PPocmax2.0PP单例：Po=1W甲类：Pcmax=4W→大功率管→必须加散热片→体积增大乙类：Pcmax=0.2W—中功率管0.1W以下—小功率管乙类功率输出级存在问题当输入信号Ui在0~Ube之间变化时，不足以克服死区电压，三极管不导通电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。集成运算放大器集成运放组成集成运放的主要参数集成运放的组成集成运算放大器是一个高增益直接耦合多级放大电路。差动放大输入级U-U+中间放大级互补输出级恒流偏置电路差动输入级有两个输入U+、U-，当信号从U-输入，输出Uo与U-极性相反，称U-反相输入端；当信号从U+输入，输出Uo与U+极性相同，称U+同相输入端。增益级一般高增益共射电路低阻功率输出级，提高负载能力。提供稳定合适的偏流一般由恒流源组成Uo集成运放的主要参数大体可分为三大类：传输参数、误差参数和响应参数传输参数1.差模电压增益Aud运放在无外加反馈条件下，输出电压Uo与输入电压Uid的变化量之比。即Aud=Uo/Uid.-UidIid+I+Uori2.输入电阻Rid运放两个差分输入端之间的等效动态电阻称差模输入电阻或称输入电阻。Rid=Uid/Iid3.输出电阻Ro运放开环工作时的输出端对地的电阻称输出电阻。主要参数传输参数4.共模输入电阻Ric运放每个输入端对地之间的等效动态电阻。5.共模抑制比CMRRCMRR=∣AUd/AUc∣6.频带宽度（-3dB带宽）运放开环增益下降到直流增益的0.707倍时所对应的截止频率，用f0表示，也可用频带宽度来表示称-3dB带宽，用BW或F3dB表示。7.差模输入电压范围Udm运放输入端之间能承受的最大差模输入电压。8.共模输入电压范围Ucm超过此电压，CMRR将下降，甚至使放大器不能正常工作主要参数失调误差参数1.输入失调电压Uos由运放差放管Ube不相等引起的，定义为：Uos=Ube1-Ube2。2.输入偏置电流Ib流入到两输入端的静态基极电流的平均值。2b2b1bIII3.输入失调电流Ios:b2b1osIII—由两管值不同引起的4.输入失调电压的温度漂移dUos/dt指输入失调电压随温度变化的平均变化率。5.输入失调电流的温度漂移dIos/dt指输入失调电流随温度变化的平均变化率。主要参数输出响应参数1.额定输出电压UoM在标称电源电压和额定电流输出情况下，为保证输出不出现明显失真，运放可提供的最大输出电压。2.额定输出电流IoM在UoM作用下，运放可提供的最大输出电流。3.转换速率SR(又称摆率）指运放在额定输出电压时，输出电压的最大变化速率。SR=UP-P/tUP-P—输出电压的峰—峰值。+-UiUoUiUot1t2SR1=UP-P/t1—上升摆率SR2=UP-P/t2—下降摆率SR值越大，频率特性越好MOS模拟集成电路MOS模拟集成单元电路MOS集成运算放大器MOS模拟集成单元电路MOS电流源MOS有源负载MOS单级放大器N1N2MOS电流源MOS电流镜UDD由两个几何尺寸相同的MOS管组成IRIoIGId1基准管输出管22T2gs22oxn2d)(2UULWCIN1管的漏电流:N2管的漏电流:)()(22112d1dLWLWII∵IG=0∴Id1=IRId2=IOR1122oILWLWIIO=IR21T1gs11oxn1d)(2UULWCIN1N2UDDIRIoIGId1MOS电流源MOS电流镜N1--基准管固定基准电流IRN2--输出管输出电流IOIO=IR理想电流源:内阻Ri=∞而N2的输出电阻rds2为有限值该电流源不是理想电流源其输出电流只是一个近似恒定值，即存在一个误差项,误差越小，电流源越接近理想电流源。ds2ds2ROrUII误差项MOS电流源威尔逊电流源N2N3N1IoIRUOro减小误差项,提高精度OOROrUIIds2U1OROrAUIIds2Ods2U1OrUrAU即误差大为减小MOS电流源几何比电流源N1NRIRI01N2I02NR、N1、N2的几何尺寸不同设三个管子的沟长比分别为：SNR，SN1，SN2仿前面电流镜推导，可得：NRN1RO1SSIINRN