模拟电子电路基础3

第三章模拟集成基本单元电路§3.2集成电路（IC）中的电流源§3.2带电流源（恒流源）的放大电路§3.3差动（差分）放大电路的特性与分析§3.4乙类推挽输出级电路与功率放大器返回§3．1半导体集成电路概述§3．1半导体集成电路概述返回第一块集成电路出现于1958年。在使用电子电路的绝大多数场合，IC已经基本上取代了分立元件电路。集成电路按处理信号的类型可分为数字IC和模拟IC。模拟集成电路因其制造工艺的特殊性，使它在电路设计、元件选取等方面与分立元件电路有所不同。归纳起来，模拟IC工艺大致有以下特点：1．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。2．生产电阻的工艺不比生产晶体管的工艺简单，而且电阻值越大，占用硅片面积越大。3．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。4．无法集成电感元件。5．集成电路易于生产配对的元件(相对误差1％以下)，但元件的绝对误差较大(绝对误差20％)。§3.2集成电路（IC）中的电流源3.2.1BJT参数的温度特性3.2.2主要镜像电流源返回1.βT基区扩散速度复合β015.0cT2.ICBOT少子浓度ICB0ICE0=（1+β）ICB0ICBO(T)=ICBO(T0)10TT02即增加一倍／1003UBET禁带宽度PN结接触电位UBE0BTCmV1.2TUBUBEIB·QiBAQ/·3.1.1BJT参数的温度特性休息2休息1返回iCQICUCEGF·iCICGF·Q/4.BJT参数的温度特性对放大器工作点的影响一般有：为了稳定放大电路中工作点Q的稳定性，在集成电路中多采用镜像电流源等电路来实现偏置，能使放大电路的工作不随温度、负载及电源的变化而变化。β输出特性曲线间距拉大QICBOICEO输出特性曲线上移QUBE输入特性曲线左移Q对放大器输入直流负载线外电路元件输出直流负载线T不变休息2休息13.1.1BJT参数的温度特性返回iCQICUCEGF·iCICGF·Q/uiIΔuΔi3.1.2主要镜像电流源１．基本镜像电流源：休息2休息1返回（1）BJT的基本恒流原理恒流源的端口电压u可以在很大范围内变化，但端口电流I却改变很小，其原因是端口的动态电阻—恒流源内阻ro很大，当ro=∞时，就是理想恒流源。Iro=Δu/Δi+Δu-i=I+ΔiIBQICQ+uCE-+UBEQ-RCRbDECroiC=ICQ+icICQro≈rce+uCE-ΔuΔi如果让BJT偏置在放大区，固定其基极偏流IBQ则C-E之间就等效成为一个恒流源iCICQuCEIBQUCEQEC3.1.2主要镜像电流源１．基本镜像电流源：(1)电路结构：+UBE—IRIC1IC2IB2IB1A：T1和T2为NPN型对管，要求对称（匹配）即：IS1=IS2=ISβ1=β2=βUBE1=UBE2=UBEIB1=IB2=IB，T1：为参考电路,确定参考电流IRT2：提供稳定的偏置电流IC2即：为放大电路提供稳定的偏置电流IC2电路仿真返回休息2休息1EC因为UBE1=UBE2=UBE,IB1=IB2=IB所以IC1=IC2=ISexpTBEUU又因为2I21II2II111CCBCR2221RRCCIIII当β1时:IC2IR而RERUEICBECR二主要镜像电流源１．基本镜像电流源：（2）电路分析：+UBE—IRIC1IC22IBIB2IB1返回休息2休息1EC1基本镜像电流源：（3）讨论ⅰ:IC2IR镜像关系ⅱ:REICR参考电流与晶体管参数无关，稳定ⅲ：另外，IR-IC2=2IB存在误差∴相对误差=2III22CCR∴当β较小时,带动多个输出电流时,(例如n个),绝对误差为(n+1)IB,n个输出电流时的相对误差=(n+1)/β+UBE—IRIC1IC22IBIB2IB1(4)电流源的输出电阻r0=rce2=2CAIU输出电阻等于T2管的输出电阻，相对较小（UA为Early电压，较大）(5)UCE1=UBE≠UCE2T1和T2工作状态不对称roIC4IRIC（n+1）IC3IC2（n+1）IBIC2IC3IC4IC（n+1）返回休息2休息1电路仿真EC2．精密镜像电流源（1）电路结构：用T3代替了基本电流源电路中的短路线(2)电路分析：同理有：UBE1=UBE2=UBE∴IC1=IC2=ISexpTBEUU121I21I121I1I2I1C21C1C3B1C∴RR1CI121II而，32B1B1c3E1C3B1CR1III1IIIII(其中：β1=β2=β3=β,注意：IC1=IC2)+UBE—IRIC1IC2IB2IB1IE3IB3电路仿真休息2休息1EC返回EC+UBE—IRIC1IC2IB2IB1IE3IB3二主要镜像电流源2．精密镜像电流源(3)讨论：i:R2CIIii:12III2C2CR精度提高了约β倍(4)输出电阻2CAceIUr较小，易受负载波动的影响。(5)ACETBESCEarly2CE2BE3BE1CEUU1UUexpIIUUUU效应∴2C1CII会产生误差ro+UCE1-UBE3UBE2休息2休息1返回EC二主要镜像电流源3．高输出阻抗串接镜像电流源(1)电路结构：由两个基本电流源电路串接而成。(2)电路分析：RU2EIBECRIC1IRIC22IBroUBE1UBE3电路仿真休息2休息1返回222212CRBRCCIIIIII)221()2(2RRCIII(3)显然，该恒流源电路的输出电流IC2的精度并不高，与基本镜像恒流源的相同。但该电路的特点是输出电阻ro很大。2'22)()1(cebeceooorRrriur)//(31beberrRR实际应用中，由于考虑到BJT的基区宽调效应，一般工程中常取221ceorrroEC4威尔逊（Wilson）电流源（高输出阻抗精密电流源）二主要镜像电流源（1）电路结构：T3管引入了闭环电流负反馈RUUEI32BEBECR（不随负载变化）当负载变化→IC2↑→IB2↑→IC1=(IR-IB2)↓→IC3↓→IE2↓→IC2↓以上为自动反馈的调节过程。IC1IC2IB2IC3IE2IC2+UBE_IRIB2IC1IC3IE22IBIC2IE1电路仿真休息2休息1返回EC4威尔逊电流源（高输出阻抗精密电流源）(3)输出电阻r0≈0.5β2rce2+UBE_IRIB2IC1IC3IE22IBIC2IE1休息2休息1返回(2)电路分析：IR=IC1+IB2,IB2=IC2/β,IC1=IC3(UBE1=UBE2=UBE)IC3=IE2-2IB=IE2-2IC3/β2C2E2E3CI1II2I2C3CI21I22IIII221I222II1I21I22C2CR2C22C222C2C2CR相对误差13CCIIEC三对电源电压变化不敏感的偏置电流源１．比例电流源UBIRIC2IE2(1)电路结构：在T1和T2发射极接有串联电阻R1和R2（2）电路分析：UB1=UB2=UB2C2ER1E22E2BE11E1BEIIIIRIURIU11BE2BE2C12RRUUIRRI又T1BES1CUUexpIIS1CT1BEIIlnUUT2BES2CUUexpIIS2CT2BEIIlnUU一般:2C12RIRRI可根据R1和R2的比例，来调节电流源输出电流IC2的大小(3)输出电阻：电路仿真休息2休息1IE1IC1返回1C2C1T2C12RIIlnRUIRRI22212201ceberRrRRrR1'=R//（R1+rbe1）EC2微电流源（Widlar电流源）在基本型电流源中，若要求很小的输出电流，（例如10μA）则电阻R的值势必很大（例如几MΩ）这样大的电阻在集成电路中是难以造成的。（1）电路结构：R1＝0，R2≠0，R2引入了电流负反馈。(2)电路分析：利用上式结果，当R1＝0时，22CR2TCIIlnRUI一般设计中：根据输出的电流IC2和已知电流REIcR，决定发射极电阻：22CRCT2IIlnIUR继续(3)输出电阻：22212201cebeberRrrRr休息2休息1电路仿真IC2IR返回