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1、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)
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
3、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。,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：,当忽略基区调制效率应时：,或表示为,所以上式可等效为,由于,而 IS 与发射结面积成正比，因此有,则,由此式可以看出T1管的电流I1 等值得转移到 T2 管中。,T
4、1 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：,已知,所以,故,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。,从此式可以看出：它们之间不是严格满足镜像关系，而是由有限的值产生误差，这个误差随值的增大而减小。,同时IR 又与VBE(on) 有关，而值和VBE(on) 又是温度敏感的参数，因而造成 IO 的热稳定性下降。,才能忽略温度以及离散性的影响。,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：,已知,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
5、性。,通常,若满足,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：,2、减小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 过程中由于有限的值引入的误差。,根据电路有,因为,若,故,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。,所以,在实际的电路中，为了避免T3 管因工作电流过小，而引起值的减小
6、，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：,使 iE3 适当的增大。,3、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。,如图所示,根据电路有,设,并忽略基调效应。,则有,因为,故,（根据PN结的伏安特性）,当值足够大时，,所以,若 iC1 对 IO 的比值不太大时，例如、,则,并且满足,当值足够大时，,所以,则有,由此式可知：只要改变两个电阻的比值，就可
7、得到 IO 对IR 的不同比例关系，为了保证 IO 的精度，除了增大值外，还应该限制 IR 对 IO 的比值，应该满足：,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。,通过对比例电路分析可知,若令：R1 =0,则,.,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
8、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339（a）所示。在图339（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33
9、9（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339（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339（c） 所示电路来实现。可以推得，它的电路功能与图339（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,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：,因为,所以,已知,当 时：,即,（2）、动态电流镜,如图所示,在MOS管镜像电流源电路中接入开关 S ，,设、S 闭合时，T2
10、 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：,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
11、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。,I 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 ：,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,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
12、而进行。,（1）、减小由值和 VA （或 ）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,根据电路可得：,若足够的大，则可近似认为,由于 T1 与 T2 构成镜像电流原则有,相应的有,所以,此式表明，不论外电路加在电流源上的电压如何变化，级联电路总是强制地保持 T2 管的 vCE2 接近于 T1 管的 vCE1 。,这样不仅减小了iC1 转移到 iC2 时，因基区调制效应引入的误差，还使 IO （其值取决于 iC2)几乎于外加电压的变化无关，因此，该电路既提高 IO 的精度，又
13、改进了电流源的恒流特性，即增大了 RO 。,不过这个电路并没有减小，因值为有限制而引入的误差。,证明、当各管值相同时，IO 与 IR 之间的关系。,根据电路有,因为,所以,2、反馈型电流源电路,利用反馈改进性能的电流源电路，如图所示。,分析：,当外电路变化时，则会引起 IO 的变化，设 IO 增大，已知：,相应增大。,其结果使加到 T3 管的基极电流为：,iB3 减小,从而阻止 iC3 的变化，因而，也就阻止 IO 的变化。使 IO 的恒流特性得以改进。,根据电路可以看出：,由三个晶体管构成的回路中有,表明、T3 管强制 T1 管的 vCE1 靠近T2 管的 vCE2 两者仅相差 vBE3 。
14、,因此，有效的减小了由基区宽度调制效应而引入的误差。,讨论 IO 与 IR 之间的关系：,根据电路有,设、,因为,又因为,所以,所以,故,在实践上，还可以进一步减小这种误差，电路如图所示：,这就是反馈作用,根据电路可知,所以,强制 T1 与 T2 管的 vCE 近似相等，消除基区调制效应的影响。,.,以电流源为有源负载的放大电路,在共射（共源）放大电路中，为了提高电压放大倍数的数值，行之有效的方法是增大集电极电阻Rc（或漏极电阻Rd）。然而，为了维持晶体管（场效应管）的静态电流不变，在增大Rc（或Rd）的同时必须提高电源电压。当电源电压增大到一定程度时，电路的设计就不合理了。,.,在集成运放中
15、，常用电流源电路取代Rc（或Rd），这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的静态电流，对于交流信号，又可得到很大的等效的Rc（或Rd）。由于晶体管和场效应管是有源元件，而上述电路中又以它们作为负载，故称之为有源负载。,.,一、有源负载共射放大电路,.,.,.,二、有源负载差分放大电路,.,.,受控源：,受控源(controlled source)是由某些电子器件抽象而来的一种电源模型，是一种双口元件（四端）元件），由控制支路和受控支路组成。 受控源的电压或电流受电路中另一支路电压或电流的控制。像晶体管、变压器、运算放大器等电子器件都可以用受控源作为其电路模型。,受控电源的符号表示：,.,例如
16、 受控源作为晶体管的电路模型：,.,理想受控源模型：,.,.,几点说明 ：,.,含有受控源电路的分析方法：,（1）支路电流法 （2）节点电压法 （3）网孔电流法 （4）叠加定理 （5）戴维南定理 （6）诺顿定理,.,.,三极管的特性是非线性的，但在低频小信号的条件下，工作在放大区三极管，它的特性曲线的非线性已不明显，这时三极管可用一线性电路来代替，称之为三级管的微变等效 则整个放大电路就变成一个线性电路，利用分析线性电路的方法对放大电路进行动态分析，求出它的主要性能指标 这种方法就是微变等效电路法。,.,.,.,电压源,电压源，即理想电压源，是从实际电源抽象出来的一种模型，在其两端总能保持一定的电压而不论流过的电流为多少。电压源具有两个基本的性质：第一，它的端电压定值U是一定的时间函数U(t)与流过的电流无关。第二，电压源自身电压是确定的，而流过它的电流是任意的。,由于内阻等多方面的原因，理想电压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，如果一个电压源在电流变化时，电压的波动不明显，我们通常就假定它是一个理
