电流源和电压源电路-

电流源和电压源电流源电流源是电路的基本元件，它是一种二端元件。电流源的内阻相对负载阻抗很大，负载阻抗波动不会改变电流大小。在电流源回路中串联电阻无意义，因为它不会改变负载的电流，也不会改变负载上的电压。在原理图上这类电阻应简化掉。负载阻抗只有并联在电流源上才有意义，与内阻是分流关系。由于内阻等多方面的原因，理想电流源在真实世界是不存在的，但这样一个模型对于电路分析是十分有价值的。实际上，如果一个电流源在电压变化时，电流的波动不明显，我们通常就假定它是一个理想电流源。电流源的基本性质电流源有两个基本性质：(1)它发出的电流是定值，或是一定的时间函数，与两端的电压无关。(2)电流源的电流是由它本身确定的，至于它两端的电压则是任意的。基区宽度调制效应这是BJT在较大工作电压时所出现的一种现象。因为BJT在放大状态工作时，集电结上的反偏电压（直流电压+交流电源）是变化的，则集电结的势垒厚度也将随着变化，这就会导致基区宽度发生变化；这种由集电结电压而引起基区宽度发生变化的现象，最早是由Early提出并加以说明的，故称为Early效应（爱里效应），又称为基区宽度调制效应。势垒就是势能比附近的势能都高的空间区域，基本上就是极值点附近的一小片区域。电流源电路是提供恒定电流的一类电子线路，它广泛应用于各种功能电路中。对电流源电路的要求：1、提供电流IO，并且其值在外界环境因素（温度、电源电压等）变化时，力求维持稳定不变。2、当其两端电压变化时，应该具有保持电流IO恒定不变的恒流特性，或者说电流源电路的交流内阻RO趋于无穷。一、镜像电流源电路1、基本镜像电流源电路：如图所示电路结构：T1与T2应该选取参数完全匹配的晶体三极管。T1T2VCCiC2=IOiC1IRR其中，T1的集电极和基极相连，接成二极管的形式，并且由VCC通过R提供电流IR。分析：（1）、精度和热稳定性根据电路有：21BEBEvv当忽略基区调制效率应时：TBEVvSCeIi或表示为SCTBEIiVvln所以上式可等效为2211SCSCIiIi1122CSSCiIIiT1T2VCCiC2=IOiC1IRR由于OCIi2而IS与发射结面积成正比，因此有1122CEEOCiSSIi当12EESS时则OCCIii12由此式可以看出T1管的电流I1等值得转移到T2管中。当12EESS时，T1管电流I1则加权地转移到T2管中，加权因子为发射结面积比值。根据电路还可知：RVVIonBECCR)(T1T2VCCiC2=IOiC1IR211BBCRiiiI若T1与T2的参数完全匹配，当、12EESS时：212121CCBBiiii已知21CCOiiI所以2122BOBORiIiII2122BOBORiIiII2122COCOiIiIOOII2故ROII211RI2)2(121)21(RI显然，IR是由VCC通过R提供的，它是电流源电路的参考电流，只要IR确定后，IO也就被确定。)21(ROII从此式可以看出：它们之间不是严格满足镜像关系，而是由有限的β值产生误差，这个误差随β值的增大而减小。同时IR又与VBE(on)有关，而β值和VBE(on)又是温度敏感的参数，因而造成IO的热稳定性下降。只有当2)(、onBECCVV时ROIIRVICCR才能忽略温度以及β离散性的影响。在高精度电流源中还必须考虑基区宽度调制效应的影响，当计入基区宽度调制效应时：)1(ACEVvSCVveIiTBE)1()1(222111ACESCACESCVvIiVvIi111222)()(CCEASCEASCivVIvVIi11122)()(CCEAECEAEivVSvVS当12EESS时，已知)(1onBECEQVVRonBEACEQACEECOIVVVViSSiI))(21()(21122可见计入基区调制效应后，进一步降低了IO的精度和热稳定性。通常AonBEVV)(若满足ACEQVV2则可忽略基区调制效应的影响。（2）、恒流特性：为了保持恒流特性，应该增大RO。根据电路得：2ceOrRRrerb'egmvb'erce2T1T2VCCiC2=IOiC1IRR2、减小β值影响的镜像电流源电路如图所示与前面介绍的电流源不同的是，用T3管代替T1管的集电极与基极的短路线。此电路是利用T3管的电流放大作用，以减小iB1、iB2对IR的分流，使iC1更接近IR，从而有效的减小了IR转换为iC2过程中由于有限的β值引入的误差。T1T2VCCiC2=IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3R根据电路有13CBRiiI133EBii因为213BBEiii321若21BBBiii21CCOiiI故BBBEiiii222213则注意：此时电路中的iE3不能过大，否则会引起iB1、iB2过大，导致饱和失真。T1T2VCCiC2=IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3R1112CCiiOOII)1(2OI)1)1(2(所以)1)1(21(ROIIRRII222131CERiiI1112CBii在实际的电路中，为了避免T3管因工作电流过小，而引起β值的减小，并且又不能增大iB3，一般都在T3管的发射极上接一个适当的电阻RE，则iE3的电流为：EonBEERVi)(3使iE3适当的增大。T1T2VCCiC2=IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3RE3R3、比例式镜像电流源在实际应用中，经常需要IO与IR成特定比例关系的镜像电流源电路。实现这种比例关系的电路可以从两方面着手：（2）、在两管的发射极上串接不同阻值的电阻。（1）、改变两管的发射结面积，前面介绍过时的情况。12EESST1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2如图所示根据电路有222111RivRivEBEEBE设SSSIII21并忽略基调效应。则有112221RiRivvEEBEBE因为221121lnlnSCTSCTBEBEIiVIiVvv21lnCCTiiV1122RiRiEE故112221lnRiRiiiVEECCTT1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2（根据PN结的伏安特性）当β值足够大时，OCEIii2211CEii所以1121lnRiRIIiVCOOCTOCTCOIiRViRRI12121ln若iC1对IO的比值不太大时，例如、101OCIi3.2ln1OCIi则mVmVIiVOCT8.593.226ln1T1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2并且满足时OCTCIiVRi111ln121COiRRI当β值足够大时，RCIi1所以ROIRRI21则有RRVVIonBECCR1)(T1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2ROIRRI21由此式可知：只要改变两个电阻的比值，就可得到IO对IR的不同比例关系，为了保证IO的精度，除了增大β值外，还应该限制IR对IO的比值，应该满足：OCTCIiVRi111lnORTRIIVRIln1或的条件。对T2管来说，接入R2后，还可以增大输出的交流电阻RO，可以改进恒流特性。4、微电流源电路微电流源电路：能够提供微安量级电流的电流源电路。在前面所介绍的三种电流源电路，很难满足输出微安量级的电流，即使能够满足，则需要R或R2的电阻值很大，这又不符合集成工艺。T1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2iE2通过对比例电路分析可知OCTCOIiRViRRI12121ln若令：R1=0则OCTOIiRVI12lnORTIIRVln2由图可知：5、威尔逊电流源为了提高电流源的传输精度，可采用如图所示的威尔逊电流源。威尔逊电流源是根据负反馈原理制成因而具有良好的温度特性和很高的输出电阻。假定由于温度或负载的变化使IO=IC3加大，则IE3也随之增加，它的镜像电流IC1跟着增加，使UC1=UB3下降，IB3减小，使IO基本保持不变。6.多路恒流源电路上述的基本电流源和比例电流源都可以连续成多路恒流源,多路恒流源是采用一个基准电流IR供给多个恒流输出，其电路如图3—39（a）所示。在图3—39（a）中，若管子特性一致，则各路输出电流相等，即基准电流IR与各级输出电流的关系为由于所有各管的基极电流均由基准电流IR提供,因此输出电流Io与基准电流IR的偏差为（n+1）IB,n值越大，偏差越大。为了使Io与IR尽量接近相等，可采用图3—39（b）所示电路。电路中，采用了晶体管To作为缓冲级，此时基准电流IR与各级输出电流的关系为可见，输出电流Io与基准电流IR的偏差值比图3—39（a）电路减小了倍。在集成电路中，多路恒流源可采用多个集电极晶体管来实现，如两路电流源可用图3—39（c）所示电路来实现。可以推得，它的电路功能与图3—39（a）电路n=2时是一致的。7、MOS管镜像电流源电路（1）、基本镜像电流源电路T1T2VSSIRIOID1ID2如图所示要求T1与T2管的性能参数匹配，并且工作在饱和区。根据电路可知：21GSGSVV因为2)(1111)(2thGSGSonDVVlWCi2)(2222)(2thGSGSonDVVlWCi所以T1T2VSSIRIOID1ID21122)/()/(DDilWlWi已知ODIi2当时：21)/()/(lWlWRDIi112DDii即ROII（2）、动态电流镜如图所示T1T2IRIOID1ID2SCgs在MOS管镜像电流源电路中接入开关S，设、S闭合时，T2管的输出电流为IO，产生IO所需的栅源电压为VGS2，这个电压储存在栅源极之间的电容Cgs上，则当S断开时，由于MOS管的栅极电流几乎为零，而Cgm又无放电回路，因此，其上的电压几乎不变，结果是T2管的输出电流继续维持在IO上。这种电流存储效应，显然是MOS管镜像电流源电路所特有的性能。电路还可以改进为如图所示的电路：S1S3S2TIIIO=IICgs结构由一只MOS管T和三只开关S1、S2、S3组成。工作原理当S1与S2闭合时，S3断开，此时T管作为电流源的参考支路，其栅极和漏极连在一起，并接到输入电流II上，这时栅极电容Cgs充电，直到II=IO时，达到所需要的栅源电压，而后断开S1、S2，闭合S3，T管便作为电流源的输出管，这时通过S3的输出电流为IO=II。（3）、开关电流电路利用电流存储效应，还可以组成另一大类电路，称为开关电流电路。vs1t0vs2t0I为偏置电流，ii为输入信号电流，开关S1和S2由不重叠的反相时钟控制。当S1闭合，S2断开时，T2管中储存的电流为：iiIiiIT1IT4T3T2IS2S1iiioVDD当S1断开，S2闭合时，T2管中的电流通过T3管传送到T4管输出，显然这个输出电流io就是前一个时钟周期储存在T2管中的输入电流ii。即ioiiT1IT4T3T2IS2S1iiioVDDiiI二、其它改进型电流源电路由前面讨论可知：对于各种改进型电流源电路都要针对下述目标而进行。（1）、减小由β值和VA（或λ）而引入的误差。（2）、提高IO的精度，增大RO，改进电流源的恒流特性。1、级联型电流源电路：将两个基本镜像电流源电路相级联，而构成的电路。如图所示T3T4VCCiC4=IOiC3IRRiC2=iC4T1T2iC1根据电路可得：2413CEBEBEBEvvvv若β足够的大，则可近似认为31CCii42CCii由于T1与T2构成镜像电流原则有21CCii相应的有13BEBEvv42BEBEvv12BEBEvv所以1432BEBEBECEvvvv113CEBEBEvvv此式表明，不论外电路加在电