Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.------------------------------------------author------------------------------------------date电流源电路和差动(又称差分)放大电路第一章第3章 电流源电路和差动（又称差分）放大电路内容提要：本章首先讨论常用在集成运放中的几种电流源的形式及其主要应用，然后讨论差动放大电路的工作原理及计算本章重点：1．镜像电流源、比例电流源、微电流源、Io和IR的计算2．典型差动放大电路的工作原理及计算学习要求：1．掌握电流源电路结构及基本特性，主要包括基本镜像电流源、比例电流源、微电流源，会分析其镜像关系及其输出电阻2．掌握差模信号、共模信号的定义与特点3．掌握长尾型和恒流源共模负反馈两种射极耦合，差动放大器的电路结构、特点，会熟练计算电路的静态工作点，熟悉电路的4种连接方式及输入输出电压信号之间的相位关系。
4. 要求会熟练分析差动放大器对差模小信号输入时的放大特性，共模抑制比会画出微变等效电路，会计算AVd、Rid、Rod、KCMR5．会运用晶体管工作在有源区时的大信号特性方程ic=Isexp(Vbe/Vt)分析研究差动放大器的差模传输特性了解基本的差动放大器线性放大的输入动态范围和扩大线性输入动态范围的办法6．定性了解差动放大器的各种非理想特性，如输入失调特性、共模输入电压范围等图3.1.1 三极管电流源电路3.1 电流源电路3.1.1 三极管电流源电流源是模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，如 图3.1.1所示对电流源的主要要求是：（1）能输出符合要求的直流电流Io2）交流电阻尽可能大三极管射极偏置电路由VCC、Rb1、Rb2和Re组成，当VCC、Rb1、Rb2、Re确定之后，基极电位VB固定（Ib一定），可以推知Ic基本恒定从三极管的输出特性曲线可以看出：三极管工作在放大区时，Ic具有近似恒流的性质当Ib一定时，三极管的直流电阻，VCEQ一般为几伏，所以RCE不大交流电阻为，为几十千欧至几百千欧3.1.2 MOS单管电流源耗尽型MOS管组成单管电流源，如图3.1.2所示。
由交流等效电路图3.1.3得：≈在分立元件电路中和某些模拟集成电路中，常用JFET接成的电流源图3.1.2 耗尽型MOS管电流源图3.1.3 交流等效电路3.1.3 基本镜像电流源基本镜像电流源电路如图3.1.4所示T1、T2参数完全相同（即β1=β2，ICEO1=ICEO2）原理：因为VBE1=VBE2，所以IC1=IC2图3.1.4 基本镜像电流源电路IREF——基准电流：推出，当β>>2时，IC2= IC1≈IREF≈优点：（1）IC2≈IREF，即IC2不仅由IREF确定，且总与IREF相等2）T1对T2具有温度补偿作用，IC2温度稳定性能好（设温度增大，使IC2增大，则IC1增大，而IREF一定，因此IB减少，所以IC2减少）缺点：（1）IREF（即IC2）受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定2）适用于较大工作电流（mA数量级）的场合若要IC2下降，则R就必须增大，这在集成电路中因制作大阻值电阻需要占用较大的硅片面积3）交流等效电阻Ro不够大，恒流特性不理想4）IC2与IREF的镜像精度决定于β当β较小时，IC2与IREF 的差别不能忽略1. 带有缓冲级的基本镜像电流源（改进电路一）图3.1.5是带有缓冲级的基本镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点（4）进行的改进，两者不同之处在于它增加了三极管T3，其目的是减少三极管T1、三极管T2的IB对IR的分流作用，提高镜像精度，减少β值不够大带来的影响。
图3.1.5 基本镜像电流源此时镜像成立的条件为β1(β3+1)>>2，这条件比较容易满足或者说，要保持同样的镜像精度，允许T的β值相对低些2. 比例电流源（改进电路二）图3.1.6是带有发射极电阻的镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点（3）进行的改进，其中Re1=Re2，两管输入仍有对称性，所以：≈图3.1.6 镜像电流源及其等效电路求T2的输出电阻Ro：≈≈输出阻值较大，所以这种电流源具有很好的恒流特性温度稳定性比基本的电流源好得多若此电路Re1不等于Re2，则：VBE1+IE1Re1=VBE2+IE2Re2（式中，IE1即IR，IE2即Io）Io≈参数对称的两管在IC相差10倍以内时，|VBE1-VBE1|<60mV所以，如果Io与IR接近，或IR较大，则ΔVBE可忽略≈即只要合理选择两T射极电阻的比例，可得合适的Io、Ro因此，此电流源又称为比例电流源3.1.4 微电流源图3.1.7 微电流源电路有些情况下，要求得到极其微小的输出电流IC2，这时可令比例电流源中的Re1=0，如图3.1.7即可以在Re2不大的情况下得到微电流IC2原理：当IR一定时，Io可确定为：≈可见，利用两管基-射电压差ΔVBE可以控制Io。
由于ΔVBE的数值小，用阻值不大的Re2即可得微小的工作电流——微电流源微电流源特点：（1）T1，T2是对管，基极相连，当VCC、R、Re2已知时，≈（略去VBE），当VBE1、VBE2为定值时，也确定了2）当VCC变化时，IREF、ΔVBE也变化，由于Re2的值一般为千欧级，变化部分主要降至Re2上，即ΔVBE2<<ΔVBE1，则IC2的变化远小于IREF的变化因此电源电压波动对工作电流IC2影响不大3）T1管对T2管有温度补偿作用，IC2的温度稳定性好总的说来，电流“小”而“稳”小——R不大时IC2可以很小（微安量级）稳——Re2（负反馈）使恒流特性好，温度特性好，受电源变化影响小进一步，电流的数学关系为：IoRe2=VBE1-VBE2而 IC≈若 则 IC2 Re=26ln10≈60mV即电流每增加10倍，IC2Re总是增加60mV因此得到电流每增加10倍，Re上的电压增加60mV的简单数学关系式，使计算十分方便。
思考：若要求提供10µA的输出电流，使用VCC=6V的电源，R=19kΩ，你如何设计这个电流源？答案，3.1.5 串接电流源为获得更高的输出电阻，利用T3，T4组成的基本电流源代替Re1，Re2，主要是用T4的输出电阻代替Re2由图3.1.8得：≈再由电路图及等效电路图3.1.9可求出输入电流Io及输出电阻Ro图3.1.8 串接电流源电路图图3.1.9 等效电路图≈≈3.1.6 电流源的主要应用前面曾提到，增大Rc可以提高共射放大电路的电压增益，但是，Rc不能很大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，Rc越大，导致输出幅度越小那么，能否找到一种元件代替Rc，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小，因而不致于减小输出幅度呢？自然地，可以考虑晶体管恒流源由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中较为广泛地把它作负载使用——有源负载，如图3.1.10所示其等效电路如图3.1.11所示图3.1.10 镜像电流源作为T1集电极Rc图3.1.11 等效电路图从等效电路可知，电流源提供了比较大的Rc，这样，可使AV达到甚至更高 电流源也可用作射极负载（Re）。
练习题1. 在图3.1.12的小镜像恒流源电路中，已知VCC=30V，电阻R=30kΩ，Vbe=0.6V，T=300K，要求输出电流Io为10µA试确定Re的值答案Re=11.9kΩ2. 在图3.1.13镜像恒流电路中，三极管T1、T2、T3完全对称1）试求输出电流Io与参考电流IR之间的关系；（2）已知R=13.8kΩ，VCC=15V，Vbe=0.6V，β很大，试求输出电流Io的数值图3.1.12 小镜像恒流源电路图3.1.13 镜像恒流电路答案，Io=1mA3.2 差动放大电路图3.2.1 基本差动式放大器3.2.1 基本差动放大电路在直接耦合放大电路中提到了零漂的问题，抑制零漂的方法一般有如下几个方面：（1）选用高质量的硅管2）采用补偿的方法，用一个热敏元件，抵消IC受温度影响的变化3）采用差动放大电路本节详细讨论差动放大器的工作原理和基本性能，如图3.2.1所示基本差动式放大器如图3.2.1所示T1、T2——特性相同的晶体管电路对称，参数也对称，如：VBE1=VBE2=VBE，Rc1=Rc2=Rc，Rb1=Rb2=Rb，Rs1=Rs2=Rs，β1=β2=β；电路有两个输入端：b1端，b2端；有个输出端：c1端，c2端。
在分析电路特性之前，必须熟悉两个基本概念——共模信号和差模信号1. 差放有两输入端，可分别加上输入信号vs1、vs2若vs1=-vs2——差模输入信号，大小相等，对共同端极性相反的两个信号，用vsd表示若vs1=vs2——共模输入信号，大小相等，对共同端的极性相同，按共同模式变化的信号，用vsc表示实际上，对于任何输入信号和输出信号，都是差模信号和共模信号的合成，为分析简便，将它们分开讨论考虑到电路的对称性和两信号共同作用的效果有：vs1→vs2→于是，此时相应的差模输入信号为：vsd=vs1-vs2差模信号是两个输入信号之差，即vs1、vs2中含有大小相等极性相反的一对信号共模信号：vsc=(vs1+vs2)/2 共模信号则是二者的算术平均值，即vs1、vs2中含有大小相等，极性相同的一对信号即对于差放电路输入端的两个任意大小和极性的输入信号vs1和vs2均可分解为相应的差模信号和共模输入信号两部分例：如图3.2.2所示，vs1=5mV，vs2=1mV，则vsd=5-1=4mV，vsc=0.5(5+1)=3mV图3.2.2 差动式放大电路也就是说，两个输入信号可看作是vs1=5mV→3mV+2mVvs2=1mV→-3mV+2mV差模输入信号vsd=4mV和共模输入信号vsc=3mV叠加而成。
2．差模信号和共模信号的放大倍数放大电路对差模输入信号的放大倍数称为差模电压放大倍数AVD：AVD=vo/vsd放大电路对共模输入信号的放大倍数称为共模电压放大倍数AVC：AVC=vo/vsc在差、共模信号同存情况下，线性工作情况中，可利用叠加原理求放大电路总的输出电压vovo=AVDvsd+AVCvsc例：设有一个理想差动放大器，已知：vs1=25mV，vs2=10mV，AVD=100，AVC=0差模输入电压vsd=___mV；共模输入电压vsc=___mV；输出电压vo=___mV答案vsd=vs1-vs2=15mV。