模拟电子电路基础模拟集成单元电路

第三章模拟集成基本单元电路§3.1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集成电路（IC）中的电流源3.1.1BJT参数的温度特性3.1.2主要镜像电流源返回·iCICGF·Q/iC·QICUCEGF1.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VBE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1·iCICGF·Q/iC·QICUCEGF3.1.1BJT参数的温度特性返回EC3.1.2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电路仿真休息2休息1返回EC因为UBE1=UBE2=UBE,IB1=IB2=IB所以IC1=IC2=ISexpTBEUU又因为2I21II2II111CCBCR2I2IIIRRCC21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休息2休息1返回EC1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）IB休息2休息1IC2IC3IC4IC（n+1）返回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2II2IIRBRC2(3)r0忽略rμ2:r0≈β2rce2考虑rμ2:r0≈0.5β2rce2由于T4动态电阻rce4引入了强电流负反馈使输出电阻ro增加β倍，抗负载波动的能力强。IC1IRIC22IBroUBE1UBE3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）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）二主要镜像电流源(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(3)输出电阻r0≈0.5β2rce2+UBE_IRIB2IC1IC3IE22IBIC2IE1休息2休息1返回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11BE2BE2C12RRVVIRRI又T1BES1CUUexpIIS1CT1BEIIlnUUT2BES2CUUexpIIS2CT2BEIIlnUU1C2C1T2C12RIIlnRUIRRI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：222CA2bb1220IURrrRR1r电路仿真休息2休息1IE1IC1返回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：22ce2220rRrR1r休息2休息1电路仿真IC2IR返回§3.2带电流源（恒流源）的放大电路3.2.1有源负载共射放大电路的分析3.2.2有源负载共集电极电路（射随器)返回ECui3.2.1有源负载共射放大电路的分析、1电路结构：T1为共发射极放大器T2，T3为PNP型基本镜象电流源电路作为T1的集电极负载，代替RC的作用。可以看出T2的输出特性曲线就是T1的负载线。放大器应工作在负载线上，(1)当ui=0时，T1截至，iC1=0,而T2饱合uO=uCE1=Ec-|UCE2(sat)|(2)当ui↑→iB1→uBE1↑→uCE1↓T1和T2工作在放大区。ic1=-ic2ic2UCE2(sat)uCE2uCE1·②·③·①·④·①·②·③·④UCE2(sat)uOui2空载大信号特性：+uo-EC+uCE2-ic1ECui返回Ru1gmu2gmrce1rb‘e1⚀+u1-rbb‘1rbb‘2rb‘e2⚀+u2-rce2rbe3+uo_+ui_+u1-rb‘e1⚀u1gmrce1rbb‘1rce2ECui+uo-EC+uCE2-ic1二有源负载共射放大电路的分析3小信号等效电路Ri=rbb’1+rπ1,Ro=rce1//rce2Av=-β(rce1//rce2)/hie有载时：Av=-β(rce1//RL’)/hieRL’=rce2//RL+ui_+uo_RiRorbe3Rrbb‘2+u2-rb‘e2⚀u2gmrce2返回usRsRbReRLECC1C2+ui-UBE+uo-R1uiRRLR2uoECUBE-Ee3.2.2有源负载共集电极电路2传输特性（1）当ui=UBE1时，使iE1=iC2=IQ∴io=0,uo=0确定Q点（2）当ui=0时，uo=-UBE1,确定D点所以传输特性：经过Q，D两点的一条直线，斜率接近1。1．电路结构T1为共集电极放大器T2，T3为NPN型基本比例电流源电路作为T1的发射极负载，代替Re的作用。·Q·D电路仿真休息1休息2R1RR2ouiu返回R1RRLR2ECUBE-Ee（1）：ui的正向界限：当ui↑→ic1=ie1在IQ(IQ=Ic2)的基础上↑→io↑→uo=ioRL↑→uCE1↓当ui↑↑→T1饱合→uCE1=UCE1(sat)∴uomax=Ec-UCE1(sat)uimax=Ec-UCE1(sat)+UBE13.2.2有源负载共集电极电路)sat(CEccmaxoUEu)sat(CEeminoUEuiv+uCE1-（2）：ui的负向界限：ui↓→ic2=IQ不变→iC1↓→|-i0|↑→uCE1↑→T1截至uCE2↓→T2饱合∴uomin≈-Ee+UCE2(sat)3传输特性方程：1SL0QTi1BEioIRuIlnUuUuuic1ic2io+uo-+ui-休息1休息2·Q·Douiu返回§3.3差动（差分）放大电路的特性与分析：3.3.1差放的偏置，输入和输出信号及连接方式3.3.2共射差放理想对称时的大信号特性3.3.3基本共射差放理想对称时的微变等效分析3.3.4有源负载共射差放返回EC-Eeui1ui23.3.1差放的偏置，输入和输出信号及连接方式差动放大器是IC中应用广泛的核心单元电路（1）电路结构iT1和T2为差分对管（对称）组成对称电路，即：RC1=RC2=RC,Rb1=Rb2=Rbβ1=β2=β,hie1=hie2=hieiiRee为发射极共用的负反馈偏置电阻作用：稳定静态工作点2C1CBEBBEE2E1EEE2E2C1E1CIIIUUUUIIIIIIIT对共模输入有强负反馈作用IEE↑IE1↑IB1↓IC1↑UEUBE1UBE2IC1↑IC1↑↓IC1IB2↓IE2↑休息1休息2返回EC-Eeui1ui2iii双电源供电EC和－Eeiv两个输入端ui1和ui2两个输出端uo1和uo2ⅴ差分放大器具有四种不同的工作状态：双端输入，双端输出单端输入，双端输出双端输入，单端输出单端输入，单端输出ⅵ信号的输入方式：差模输入：输入信号ui1和ui2大小相等，极性相反共模输入：输入信号ui1和ui2大小相等，极性相同1ou2ou电路仿真休息1休息23.3.1差放的偏置，输入和输出信号及连接方式返回EC-Ee-Eeui1ui2EC（2）静态工作点的计算由于电路对称:IC1=IC2=ICIE1=IE2=IEIB1=IB2=IB故只需讨论T1的静态工作点。由于Ree上流过的电流为什么2IE，故等效到T1射极的电阻为2Ree计算静态工作点时，ui1=ui2=0则有:IBRb+UBE+2ReeIE=Ee而IB=IE／（1＋β）所以有：eeBEebeeBEeEECRUE211RR2UEIII休息1休息2IC2IC1IE1IE22IE3.3.1差放的偏置，