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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