电流源电路作用分析

在集成电路的制作工艺中,在硅片上制作各种类型的晶体管比制作电阻容易的多,而且所占用的硅片面积也小的多,故集成电路中的三极管除了放大管外,大量的被用作恒流源或有源负载,为放大管提供合适的静态工作点及提高放大器的放大倍数。

1. 镜像电流源电路 

下图所示为典型的镜像电流源电路:

该电路的工作原理是:在电路完全对称的情况下,电阻R上的电流IR可作为电路的基准电流,根据节点电位法可得该电流的表达式为:

IR = (VCC – UBE) / R = IC + 2IB = IC + 2(IC / β)

在β>>2的条件下,移项整理可得式1

IC = [β / (β + 2)] x IR ≈ IR = (VCC -UBE) / R

由上式可见,当VCC和R的数值确定之后,三极管T0的集电极电流有确定的值IR。因电路的对称性,三极管T1集电极的电流与三极管T0集电极电流成镜像关系,也随着有确定的值IC。镜像电流源电路结构简单,应用广阔,但存在着IC大时,电阻R上的功耗也大的缺点。改进的方法是在两二极管的发射极上增加电阻Re,使镜像电流的关系变成比例的关系,组成比例电流源电路。

2. 比例电流源电路

比例电流源电路如下图所示:

该电路的工作原理是:由电路的结构可知,式2

UBE0 + IE0Re0 = UBE1 + IE1Re1

根据三极管的电流方程

IE ≈ IS x exp(UBE / UT)

可得:

UBE ≈ UT x ln(IE / IS)

根据T0和T1的对称性可得

UBE0-UBE1 ≈ UT[ln(IE0 / IS) – ln(IE1 / IS)] = UTln(IE0 / IE1)

将上式代入式2中可得:

IE1Re1 ≈ IE0Re0 + UTln(IE0 / IE1)

当β>>2时,有IC0 ≈ IE0 ≈ IR,IC1 ≈ IE1,将这些关系代入上式可得

IC1 ≈ Re0 / Re1 x IR + UT / Re1 x ln(IR / IC1)

在一定的范围内,IR ≈ IC1,上式中的对数项可忽略,则式3

IC1 ≈ Re0 / Re1 x IR ≈ Re0(VCC – UBE0) / Re1 x (R + Re0)

式3与式1相比可得,在相同IC1的情况下,可以用较大的R,以减少IR的值,降低R的功耗。同时Re0和Re1是两个三极管的发射极电阻,引入电流负反馈,使两三极管的输出电流更加稳定。

3.多路电流源电路

集成运放是一个多级放大电路,因各级放大器的静态工作点不同,所以需要多个电流源电路,在集成电路的制造工艺中,可将多个比例电流源电路组合在一起,组成多路电流源电路,如下图所示:

该电路的工作原理是:在基准电流IR确定的情况下,根据式3可得,选择不同的Re1、Re2和Re3就可获得不同的偏置电流IC1、IC2和IC3。

4. 以电流源为有源负载的放大器

由以上的描述可知,共发射极或共源极放大电路的开路电压放大倍数

Au0 = -β x Rc / rbe

或者

Au0 = -gm x Rd

由电压放大倍数的表达式可见,放大器的电压放大倍数与Rc或Rd成正比。要提高放大器的电压放大倍数,在β和gm保持不变的情况下,必须加大Rc或Rd的阻值。Rc或Rd变大了,要保持三极管的静态工作点不变,电路的直流供电压也必须提高,这将引起集成电路功耗的增加。为了解决这一问题,在集成电路中,采用电流源为有源负载取代Rc或Rd。利用电流源做有源负载,可实现在电源电压不变的情况下,使放大器既可获得合适的静态工作点电流。对交流信号而言,又可得到很大的等效电阻rce或rds来替代Rc或Rd。如下图所示为利用电流源为有源负载的差动放大电路。

图中的三极管T1和T2组成差动放大器;三极管T3、T4和T5组成电流源电路为差动放大器提供合适的静态工作点电流;T6和T7组成差动放大器的有源负载,该电路既可使差动放大器有合适的静态工作点电流,对交流信号,又有很大的等效电阻rce,以替代原电路中的Rc,获得很大的电压放大倍数。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注