第四章第五節(jié)電流源電路及其應(yīng)用

1、第五節(jié)第五節(jié) 電流源電路及其應(yīng)用電流源電路及其應(yīng)用 電流源電路是提供恒定電流的一類電子線路，它廣泛應(yīng)用于各種功能電路中。對(duì)電流源電路的要求：1、提供電流 IO ，并且其值在外界環(huán)境因素（溫度、電源電壓等）變化時(shí)，力求維持穩(wěn)定不變。2、當(dāng)其兩端電壓變化時(shí)，應(yīng)該具有保持電流 IO 恒定不變的恒流特性，或者說電流源電路的交流內(nèi)阻 RO趨于無窮。一、鏡像電流源電路1、基本鏡像電流源電路：如圖所示電路結(jié)構(gòu)：T1 與 T2 應(yīng)該選取參數(shù)完全匹配的晶體三極管。T1T2VCCiC2= IOiC1IRR其中，T1 的集電極和基極相連，接成二極管的形式，并且由VCC 通過R 提供電流 IR 。分析：（1）、精度和

2、熱穩(wěn)定性根據(jù)電路有：21BEBEvv當(dāng)忽略基區(qū)調(diào)制效率應(yīng)時(shí)：TBESCVveIi或表示為SCTBEIiVvln所以上式可等效為2211SCSCIiIi1122CSSCiIIiT1T2VCCiC2= IOiC1IRR由于OCIi2而 IS 與發(fā)射結(jié)面積成正比，因此有1122CEEOCiSSIi當(dāng)12EESS時(shí)則OCCIii12由此式可以看出T1管的電流I1 等值得轉(zhuǎn)移到 T2 管中。當(dāng)12EESS時(shí)， T1 管電流 I1 則加權(quán)地轉(zhuǎn)移到 T2 管中，加權(quán)因子為發(fā)射結(jié)面積比值。根據(jù)電路還可知：RVVIonBECCR)(T1T2VCCiC2= IOiC1IR211BBCRiiiI若T1 與 T2 的

3、參數(shù)完全匹配， 當(dāng)、12EESS時(shí)：212121CCBBiiii已知21CCOiiI所以2122BOBORiIiII2122BOBORiIiII2122COCOiIiIOOII2故ROII211RI2)2(121)21 (RI 顯然，IR 是由 VCC 通過 R 提供的，它是電流源電路的參考電流，只要 IR 確定后，IO 也就被確定。)21(ROII 從此式可以看出：它們之間不是嚴(yán)格滿足鏡像關(guān)系，而是由有限的值產(chǎn)生誤差，這個(gè)誤差隨值的增大而減小。 同時(shí)IR 又與VBE(on) 有關(guān)，而值和VBE(on) 又是溫度敏感的參數(shù)，因而造成 IO 的熱穩(wěn)定性下降。只有當(dāng)2)(、onBECCVV時(shí)ROI

4、IRVICCR才能忽略溫度以及離散性的影響。 在高精度電流源中還必須考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響，當(dāng)計(jì)入基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時(shí)：)1 (ACETBESCVvVveIi)1()1(222111ACESCACESCVvIiVvIi111222)()(CCEASCEASCivVIvVIi11122)()(CCEAECEAEivVSvVS當(dāng)12EESS時(shí)， 已知)(1onBECEQVVRonBEACEQACEECOIVVVViSSiI)(21 ()(21122 可見計(jì)入基區(qū)調(diào)制效應(yīng)后，進(jìn)一步降低了IO 的精度和熱穩(wěn)定性。通常AonBEVV)(若滿足ACEQVV2則可忽略基區(qū)調(diào)制效應(yīng)的影響。（2）、恒流特性：

5、為了保持恒流特性，應(yīng)該增大 RO 。根據(jù)電路得：2ceOrRRrerbegmvberce2T1T2VCCiC2= IOiC1IRR2、減小、減小值影響的鏡像電流源電路值影響的鏡像電流源電路如圖所示 與前面介紹的電流源不同的是，用T3 管代替 T1 管的集電極與基極的短路線。 此電路是利用T3 管的電流放大作用，以減小 iB1、iB2 對(duì)IR 的分流，使 iC1 更接近 IR ，從而有效的減小了IR 轉(zhuǎn)換為iC2 過程中由于有限的值引入的誤差。T1T2VCCiC2= IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3R根據(jù)電路有13CBRiiI133EBii因?yàn)?13BBEiii321若21BBBiii

6、21CCOiiI故BBBEiiii222213則注意：此時(shí)電路中的 iE3 不能過大，否則會(huì)引起 iB1、iB2 過大，導(dǎo)致飽和失真。T1T2VCCiC2= IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3R1112CCiiOOII)1 (2OI ) 1)1 (2(所以)1)1 (21(ROIIRRII222131CERiiI1112CBii 在實(shí)際的電路中，為了避免T3 管因工作電流過小，而引起值的減小，并且又不能增大iB3 ，一般都在T3 管的發(fā)射極上接一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮鑂E ，則 iE3 的電流為：EonBEERVi)(3使 iE3 適當(dāng)?shù)脑龃?。T1T2VCCiC2= IOiC1IRT3iE3iB

7、1iB2iB3RE3R3、比例式鏡像電流源、比例式鏡像電流源 在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要 IO 與 IR 成特定比例關(guān)系的鏡像電流源電路。 實(shí)現(xiàn)這種比例關(guān)系的電路可以從兩方面著手：（2）、在兩管的發(fā)射極上串接不同阻值的電阻。（1）、改變兩管的發(fā)射結(jié)面積，前面介紹過時(shí)的情況。12EESST1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2如圖所示根據(jù)電路有222111RivRivEBEEBE設(shè)SSSIII21并忽略基調(diào)效應(yīng)。則有112221RiRivvEEBEBE因?yàn)?21121lnlnSCTSCTBEBEIiVIiVvv21lnCCTiiV1122RiRiEE故112221lnRiRiii

8、VEECCTT1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2當(dāng)值足夠大時(shí)，OCEIii2211CEii所以1121lnRiRIIiVCOOCTOCTCOIiRViRRI12121ln若 iC1 對(duì) IO 的比值不太大時(shí)，例如、101OCIi3 .2ln1OCIi則mVmVIiVOCT8 .593 . 226ln1T1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2并且滿足時(shí)OCTCIiVRi111ln121COiRRI當(dāng)值足夠大時(shí)，RCIi1所以ROIRRI21則有RRVVIonBECCR1)(T1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2ROIRRI21 由

9、此式可知：只要改變兩個(gè)電阻的比值，就可得到 IO 對(duì)IR 的不同比例關(guān)系，為了保證 IO 的精度，除了增大值外，還應(yīng)該限制 IR 對(duì) IO 的比值，應(yīng)該滿足：OCTCIiVRi111lnORTRIIVRIln1或的條件。 對(duì) T2 管來說，接入R2 后，還可以增大輸出的交流電阻RO ，可以改進(jìn)恒流特性。畫交流通路T1T2ivRR2R1iE1iE2畫交流等效電路Rrerbegmvberce2R1R2ivT1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2圖中，T1 接成二極管，它呈現(xiàn)的交流電阻為re1，由圖可見221)(ceeebmrvvvgi其中，RRRRrRRrRivrRrRRive

10、ssebeebsebeb/)()/(1112222222經(jīng)整理求得sebcesebsebceoRrRRrRrRRrRRrivR222222221)/(1(4-5-12)顯然，T2管發(fā)射極上接電阻R2后，Ro將遠(yuǎn)大于基本鏡像電流源電路的輸出交流電阻，表明它具有更優(yōu)良的恒流特性。4、微電流源電路、微電流源電路微電流源電路：能夠提供微安量級(jí)電流的電流源電路。 在前面所介紹的三種電流源電路，很難滿足輸出微安量級(jí)的電流，既是能夠滿足，則需要R 或 R2 的電阻值很大，這又不符合集成工藝。T1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2iE2通過對(duì)比例電路分析可知OCTCOIiRViRRI12121ln若令：

11、R1 =0 則OCTOIiRVI12lnORTIIRVln2例如、（1）、要求 IO =20A 時(shí)，若取 IR/IO =10 ，即 IR=0.2mA。試計(jì)算 R 、R2 。根據(jù)電路RVVIonBECCR)(所以RonBECCIVVR)(KmAVV5.412.07.09+9VT1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2iE2ORTOIIRVIln2已知所以O(shè)ROTIIIVRln2KmAmV99. 210ln02. 026（2）、（1）、要求 IO =20A 時(shí)，若取 IR/IO =100 ，即 IR=2mA。試計(jì)算 R 、R2 。根據(jù)電路RVVIonBECCR)(所以RonBECCIVVR)(K

12、mAVV15. 427 . 09所以O(shè)ROTIIIVRln2KmAmV98. 5100ln02. 026 經(jīng)過比較可知：lnx 隨著x 的增大變化的十分緩慢，因此，盡管 IR/IO 很大，R 和 R2 都不很大。5、MOS管鏡像電流源電路管鏡像電流源電路（1）、基本鏡像電流源電路T1T2VSSIRIOID1ID2如圖所示 要求 T1 與 T2 管的性能參數(shù)匹配，并且工作在飽和區(qū)。根據(jù)電路可知：21GSGSVV因?yàn)?)(1111)(2thGSGSonDVVlWCi2)(2222)(2thGSGSonDVVlWCi所以T1T2VSSIRIOID1ID21122)/()/(DDilWlWi已知ODI

13、i2當(dāng) 時(shí)：21)/()/(lWlWRDIi112DDii即ROII 在MOS集成電路中，為了節(jié)省芯片面積，改進(jìn)電路性能，電阻幾乎都用MOS管有源電阻取代。如圖所示根據(jù)電路有：211GSGSDSVVV33GSDSVVT1T2VSSIRIOID1ID2T3VDD13DSDSDDVVV13DDRiiI2)(133)()(2thGSGSDDonDVVVlWCi1DOiI2)(111)()(2thGSGSonDVVlWCi所以2)(12)(113)()()/()/(thGSGSDDthGSGSVVVVVlWlW2)(1)(1)(thGSGSDDthGSGSVVVVV2)(111)()(2thGSGSo

14、nDRVVlWCiI由 IR 來確定 VGS1 ，再由 VGS1 確定兩管所需的寬長比值。（2）、動(dòng)態(tài)電流鏡）、動(dòng)態(tài)電流鏡如圖所示T1T2IRIOID1ID2SCgs 若在MOS管鏡像電流源電路中接入開關(guān) S ，設(shè)、S 閉合時(shí)，T2 管的輸出電流為 IO ，產(chǎn)生IO 所需的柵源電壓 為VGS2 ，這個(gè)電壓儲(chǔ)存 在柵源極之間的電容Cgs上，則當(dāng) S斷開時(shí)，由于MOS管的柵極電流幾乎為零，而Cgm 又無放電回路，因此，其上的電壓幾乎不變，結(jié)果是 T2 管的輸出電流繼續(xù)維持在 IO 上。 這種電流存儲(chǔ)效應(yīng)，顯然是MOS管鏡像電流源電路所特有的性能。電路還可以改進(jìn)為如圖所示的電路：S1S3S2TIII

15、O=IICgs結(jié)構(gòu)由一只MOS管T 和三只開關(guān)S1 、S2 、S3 組成。工作原理 當(dāng) S1 與 S2 閉合時(shí)， S3 斷開，此時(shí)T 管作為電流源的參考支路，其柵極和漏極連在一起，并接到輸入電流 II 上，這時(shí)柵極電容 Cgs 充電，直到 II = IO 時(shí)，所需要的柵源電壓，而后斷開S1 、S2 ，閉合S3 ，T管便作為電流源的輸出管，這時(shí)通過S3 的輸出電流為IO=II 。（3）、開關(guān)電流電路）、開關(guān)電流電路 利用電流存儲(chǔ)效應(yīng)，還可以組成另一大類電路，稱為開關(guān)電流電路。vs1t0vs2t0 I 為偏置電流，ii 為輸入信號(hào)電流，開關(guān)S1 和 S2 由不重疊的反相時(shí)鐘控制。當(dāng)S1 閉合，S2

16、 斷開時(shí)，T2 管中儲(chǔ)存的電流為 ：iiI iiI T1IT4T3T2IS2S1iiioVDD 當(dāng) S1 斷開 ，S2閉合時(shí)，T2 管中的電流通過T3 管傳送到T4 管輸出，顯然這個(gè)輸出電流 io 就是前一個(gè)時(shí)鐘周期儲(chǔ)存在 T2 管中的輸入電流 ii 。即ioii T1IT4T3T2IS2S1iiioVDDiiI 二、其它改進(jìn)型電流源電路二、其它改進(jìn)型電流源電路 由前面討論可知：對(duì)于各種改進(jìn)型電流源電路都要針對(duì)下述目標(biāo)而進(jìn)行。（1）、減小由值和 VA （或 ）而引入的誤差。（2）、提高 IO 的精度，增大 RO ，改進(jìn)電流源的恒流特性。1、級(jí)聯(lián)型電流源電路：將兩個(gè)基本鏡像電流源電路相級(jí)聯(lián)，而構(gòu)

17、成的電路。如圖所示T3T4VCCiC4= IOiC3IRRiC2= iC4T1T2iC1根據(jù)電路可得：2413CEBEBEBEvvvv若足夠的大，則可近似認(rèn)為31CCii42CCii由于 T1 與 T2 構(gòu)成鏡像電流原則有21CCii相應(yīng)的有13BEBEvv42BEBEvv12BEBEvv所以1432BEBEBECEvvvv113CEBEBEvvv 此式表明，不論外電路加在電流源上的電壓如和變化，級(jí)聯(lián)電路總是強(qiáng)制地保持 T2 管的 vCE2 接近于 T1 管的 vCE1 。 這樣不僅減小了iC1 轉(zhuǎn)移到 iC2 時(shí)，因基區(qū)調(diào)制效應(yīng)引入的誤差，還使 IO （其值取決于 iC2)幾乎于外加電壓的變

18、化無關(guān)，因此，該電路既提高 IO 的精度，又改進(jìn)了電流源的恒流特性，即增大了 RO 。T3T4VCCiC4= IOiC3IRRiC2= iC4T1T2iC1 不過這個(gè)電路并沒有減小，因值為有限制而引入的誤差。證明、當(dāng)各管值相同時(shí)，IO 與 IR 之間的關(guān)系。根據(jù)電路有433BBCRiiiI因?yàn)?1332BCECiiii111)2(2CCCiii所以4121)2()2(CCCRiiiIT3T4VCCiC4= IOiC3IRRiC2= iC4T1T2iC14121)2()2(CCCRiiiIOOOIII1)2()2(2ORII2)2(2ROII2422RI411)41 (RI2、反饋型電流源電路、

19、反饋型電流源電路T3VCCiC3= IOiB3IRRiC2= iC3T1T2iC1 利用反饋改進(jìn)性能的電流源電路，如圖所示。分析： 當(dāng)外電路變化時(shí)，則會(huì)引起 IO 的變化，設(shè) IO 增大，已知：21CCOiiI相應(yīng)增大。其結(jié)果使加到 T3 管的基極電流為：13CRBiIiiB3 減小 從而阻止 iC3 的變化，因而，也就阻止 IO 的變化。使 IO 的恒流特性得以改進(jìn)。根據(jù)電路可以看出：由三個(gè)晶體管構(gòu)成的回路中有231BEBECEvvv22BECEvv表明、T3 管強(qiáng)制 T1 管的 vCE1 靠近T2 管的 vCE2 兩者僅相差 vBE3 。因此，有效的減小了由基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)而引入的誤差。討

20、論 IO 與 IR 之間的關(guān)系：根據(jù)電路有321設(shè)、31BCRiiIT3VCCiC3= IOiB3IRRiC2= iC3T1T2iC1因?yàn)?1BBii21CCii又因?yàn)?123BBCEiiii122BCii112BCii112CCii)21 (1Ci所以312ECiiT3VCCiC3= IOiB3IRRiC2= iC3T1T2iC1所以31BCRiiI332BEii333)(2BBCiii33311)2(2CCCiii3)1212(Ci故3)1212(CRiI322)222(CRiIOI )222(22ROII22222RIRVVIonBECCR)(2在實(shí)踐上，還可以進(jìn)一步減小這種誤差，電路如

21、圖所示：T3T4VCCiC3= IOiC4IRRiC2= iC3T1T2iC1若 IOiC3（iE3 ）iC2iC1iE4iC42iB3iC3 IO這就是反饋?zhàn)饔?1CCii根據(jù)電路可知441CECiii233CECOiiiI432CRBiIiT3T4VCCiC3= IOiC4IRRiC2= iC3T1T2iC12314CEBECEBEvvvv2314BEBEBEBEvvvv22CEBEvv所以21CECEvv強(qiáng)制 T1 與 T2 管的 vCE 近似相等，消除基區(qū)調(diào)制效應(yīng)的影響。自己討論 ：IO 與 IR 之間的關(guān)系。三、有源負(fù)載差分放大器三、有源負(fù)載差分放大器電路如圖所示T1 vi1 T13

22、T4T2 RVCCIRIEEvi2T5VEE 電路中、T1 、T2 、T3 管構(gòu)成兩路鏡像電流源，即電流源 T2 與電流源 T3 。 它們分別取代了原差分放大器中的RC ，它們的統(tǒng)一電流由參考電流 IR 設(shè)定。 這種電路中差分對(duì)管的靜態(tài)電流由有源負(fù)載設(shè)定，又要由恒流偏置設(shè)定，因此，很難做到一致。iC1T1 vi1 T2T3VCCIEEvi2T4VEEiC4iC2iC3iO經(jīng)常采用的電路如圖所示 根據(jù)電路可知，T1 和 T2 管組成鏡像電流源，T3 與T4管組成差分放大器，電路的輸出端為 T4 管的集電極，即為單端輸出。分析：在差模的輸入信號(hào)電壓的作用下T3 與T4管分別輸出極性相反，數(shù)值相等的增量電流即iIiCQC3iIiCQC4 當(dāng) iC3 通過T1 管時(shí)，它將被等值得轉(zhuǎn)移到 T2 管上。iC1T1 vi1 T2T3VCCIEEvi2T4VEEiC4iC2iC3iOT4 管的集電極輸出電流為：42CCOiii41CCii43CCiii 2其值恰好等于雙端輸出時(shí)的差模增量電流?？梢钥闯龃穗娐愤€具有將雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出的功能。 在共模輸入信號(hào)電壓的作用下， T3 與T4管分別輸出極性相同，數(shù)值相等的增量電流。即iIiCQC3iIiCQC4042CCOiii進(jìn)一步分析差模性能： 設(shè)兩邊的電路不對(duì)