《集成运放中的电流源电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成运放中的电流源电路（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章集成运算放大电路第四章集成运算放大电路4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路4.3 集成运放电路简介集成运放电路简介4.5 集成运放的种类及选择集成运放的种类及选择4.4 集成运放的性能指标及低频等效电路集成运放的性能指标及低频等效电路4.6 集成运放的使用集成运放的使用n1、理解通用型集成运放的四个组成部分及其、理解通用型集成运放的四个组成部分及其作用。作用。n2、掌握基本电流源电路的组成和工作原理。、掌握基本电流源电路的组成和工作原理。n3、了解集成运放的主要技术指标及其物理意、了解集成运放的主要技术指标及其物理意义。义。
2、n4、能根据需要合理选用集成运放电路。、能根据需要合理选用集成运放电路。本章本章重点和考点：重点和考点： 集成电路是一种将集成电路是一种将“管管”和和“路路”紧密结合紧密结合的器件，它以的器件，它以半导体单晶硅半导体单晶硅为芯片，采用专门的制为芯片，采用专门的制造工艺，把造工艺，把晶体管晶体管、场效应管场效应管、二极管二极管、电阻电阻和和电电容容等元件及它们之间的等元件及它们之间的连线连线所组成的完整电路制作所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。在一起，使之具有特定的功能。 集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分
3、）上，故被算（如比例、求和、求差、积分、微分）上，故被称为称为运算放大电路运算放大电路，简称，简称集成运放集成运放。4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述4.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路简称集成电路简称 IC (Integrated Circuit)集成电路按集成电路按其功能分其功能分数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路模拟集成电路类型类型集成运算放大器集成运算放大器、集成功率放大器、集成功率放大器、集成高频放大器、集成高频放大器、集成中频放大器集成中频放大器、集成比较器集成比较器、集成乘法器、集成乘法器、集成稳压集成稳压器器、集成数、
4、集成数/ /模或模模或模/ /数转换器等。数转换器等。集成电路的外形集成电路的外形(a)双列直插式双列直插式(b)圆壳式圆壳式(c)扁平式扁平式4.1.1 集成运放的电路结构特点集成运放的电路结构特点 一一.相邻元件具有良好的对称性，故适用于构成差分相邻元件具有良好的对称性，故适用于构成差分放大电路和恒流源电路。放大电路和恒流源电路。二二.集集成成电电路路中中电电阻阻，其其阻阻值值范范围围一一般般在在几几十十欧欧到到几几十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。十千欧之间，如需高阻值电阻时，要在电路上另想办法。三三.在在芯芯片片上上制制作作三三极极管管比比较较方方便便，常常常常用用晶晶
5、体体管管（或场效应管）代替电阻（特别是大电阻）。（或场效应管）代替电阻（特别是大电阻）。四四.在在芯芯片片上上制制作作比比较较大大的的电电容容和和电电感感非非常常困困难难，电路通常采用直接耦合方式。电路通常采用直接耦合方式。五五.集集成成电电路路中中的的晶晶体体管管和和场场效效应应管管因因制制作作工工艺艺不不同同，性性能能上上差差别别较较大大。常常采采用用复复合合管管的的形形式式以以得得到到各各方方面面性性能俱佳的效果。能俱佳的效果。一、输入级一、输入级高性能差分放大电路，大大减少温漂。高性能差分放大电路，大大减少温漂。二、中间级二、中间级采用采用有源负载的共射（或共源）放大电路，有有源负载的
6、共射（或共源）放大电路，有较高的电压放大倍数。较高的电压放大倍数。三、输出级三、输出级互补输出电路，带负载能力强，非线性失真小。互补输出电路，带负载能力强，非线性失真小。四、偏置电路四、偏置电路电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。电流源电路，为各级提供合适的静态工作点。4.1.2 集成运放电路的组成及其各部分的作用集成运放电路的组成及其各部分的作用实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。实质上是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。输入级输入级偏置电路偏置电路中间级中间级输出级输出级+uO uId图图 4.1.1集成运放的基本组成集成运放的基本组成4.1.3 集成运放的电压传
7、输特性集成运放的电压传输特性图图 4.1.2集成运放的符号和电压传输特性集成运放的符号和电压传输特性uO=f ( uP uN )+AoduPuNuOuOuP-uN集成运放的两个输入端分别为同相输入端集成运放的两个输入端分别为同相输入端uP和反相输入端和反相输入端uN。电压传输特性电压传输特性 集成运放是一个双端输入、单端输出，具有高差模放大集成运放是一个双端输入、单端输出，具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温度漂移的倍数、高输入电阻、低输出电阻、能较好地抑制温度漂移的差分放大电路。差分放大电路。输输出出电电压压与与其其两两个个输输入入端端的的电电压压之间存在线性放大关系，
8、即之间存在线性放大关系，即集成运放的工作区域集成运放的工作区域线性区域：线性区域：Aod为差模开环为差模开环放大倍数放大倍数非非线性区域：线性区域：输出电压只有两种可能的情况：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或或UOMUOM为输出电压的饱和电压。为输出电压的饱和电压。uOuP-uN+UOM-UOM4.2 集成运放中的电流源电路集成运放中的电流源电路 集成运放电路中的晶体管和场效应管除了集成运放电路中的晶体管和场效应管除了作为放大管外，还构成作为放大管外，还构成电流源电路电流源电路，为各级提为各级提供合适的静态电流；供合适的静态电流； 或作为或作为有源负载有源负载取代取代高阻值的电阻高阻值的
9、电阻，从而，从而增大放大电路的电压放大倍数。增大放大电路的电压放大倍数。一、镜像电流源一、镜像电流源 (电流镜电流镜 Current Mirror)基准电流基准电流由由于于UBE0 = UBE1，且且T0与与T1参数基本相同，则参数基本相同，则IB0 = IB1 = IB；IC0 = IC1 = IC所以所以当当满足满足 2 时，则时，则+VCCRIREF+T0T1IC1IB0IB12IBIC0UBE0UBE1图图 4.2.1 镜像电流源镜像电流源4.2.1 基本电流源电路基本电流源电路根据晶体管发射结电压与根据晶体管发射结电压与发射极电流的近似关系，发射极电流的近似关系，可得可得 由于由于T
10、0与与T1的特性完全相同，的特性完全相同，所以所以二、比例电流源二、比例电流源由图可得由图可得UBE0 + IE0R0 = UBE1 + IE1R1+图图 4.2.2比例电流源比例电流源+VCCRIREFT0T1IC1IB0IB12IBIC0UBE0UBE1R0R1整理可得：整理可得： 在一定取值范围内，若对数项可忽略，则在一定取值范围内，若对数项可忽略，则 可见，只要改变可见，只要改变R0和和R1的阻值，就可的阻值，就可以改变以改变IC1和和IREF的比例关系。的比例关系。 式中基准电流式中基准电流+图图 4.2.2比例电流源比例电流源+VCCRIREFT0T1IC1IB0IB12IBIC0
11、UBE0UBE1R0R1当当2时，时，所以所以三、微电流源三、微电流源 在在镜镜像像电电流流源源的的基基础础上上接入电阻接入电阻 Re。 引引入入Re使使 UBE1 UBE0，且且 IC1 IC0 ，即即在在 Re 值值不不大大的的情情况况下下，得得到到一一个个比比较较小的输出电流小的输出电流 IC1 。+VCCRIREFT0T1IC12IBIC0Re图图 4.2.3 微电流源微电流源+VCCRIREFT0T1IC12IBIC0Re利用比例电流源的基本关系利用比例电流源的基本关系 在已知在已知Re的情况下，可以通过图解法或累试法解出的情况下，可以通过图解法或累试法解出IC1。图图 4.2.3微
12、电流源微电流源基准电流基准电流Re得：得：4.2.2 改进型电流源电路改进型电流源电路问题：问题：基本电流源电路在基本电流源电路在 很小时，很小时， IREF和和 IC1相差很大。相差很大。为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基为了减小基极电流的影响，提高输出电流与基准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本准电流的传输精度，稳定输出电流，可对基本电流源电路进行改进。电流源电路进行改进。一、加射极输出器的电流源一、加射极输出器的电流源图图4.2.4 加射极输出器的电流源加射极输出器的电流源 由由于于增增加加了了T2，使使IC1更更加加接近接近IREF（如何证明）如何证明）IC1=IC0=IRE
13、FIB2=IREFIE2/(+1)如如10 IC1=0.982 IREF 增加电阻增加电阻Re2目的是使目的是使IE2增大，从而提高增大，从而提高T2的的。Re2二、威尔逊电流源二、威尔逊电流源 T1管管的的ce串联在串联在T2管的发射管的发射极，其作用与典型的静态工作点稳极，其作用与典型的静态工作点稳定电路中的定电路中的Re相同。相同。A点的电流方程点的电流方程当当10时时， IC2=0.984 IR 可见，在可见，在很小时，也可认为很小时，也可认为IC2= IR IC2受基极电流影响很小。受基极电流影响很小。故故B点的电流方程点的电流方程图图4.2.5威尔逊电流源威尔逊电流源T2T1T0V
14、CCIC0IR2IBIC1IE2IC2IB2BARIC3IE3=IREFRe/Re34.2.3 多路电流源多路电流源T1IC1IC2IC3Re1Re2Re3T2T3电路图电路图公式推导公式推导IE ICIREFIB0当当较大时较大时IC=IREF由于各管的由于各管的和和UBE均相同，均相同，IEReIREFRe=IE1Re1=IE2Re2=IE3Re3IC2IE2=IREFRe/Re2IC1IE1=IREFRe/Re1所以所以ICTIBRIREFVCCT0ReIE图图4.2.6 基于比例电流源的多路电流源基于比例电流源的多路电流源 当基极电流一定时，集当基极电流一定时，集电极电流之比等于它们的
15、集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。电区面积之比。MOS管多路电流源管多路电流源图图4.2.8MOS管多路电流源管多路电流源设设沟道宽沟道宽长比长比W/LS漏极漏极电流之比正比于沟道的电流之比正比于沟道的宽长比。宽长比。图图4.2.7多集电极管构成的多路电流源多集电极管构成的多路电流源多多集电极管构成的多路电流源集电极管构成的多路电流源例例4.2.1 图图4.2.9所示电路是型号为所示电路是型号为F007的通用型集成运放的的通用型集成运放的电流源部分。其中电流源部分。其中T10与与T11为为纵向纵向NPN管；管； T12与与T13是是横向横向PNP管，它们的管，它们的均为均为5；b-e间电
16、压值均约为间电压值均约为0.7V，试求出各试求出各管的集电极电流。管的集电极电流。解：解：0.73mAIC1028A0.52mA图图4.2.9 F007中的电流源电路中的电流源电路4.2.4 以电流源为有源负载的放大电路以电流源为有源负载的放大电路 在集成运放中，常用电流源电路取代在集成运放中，常用电流源电路取代Rc或或Rd，这样在电源电压不变的情况下，既可获得合适的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，又可获得很大的等效静态电流，对于交流信号，又可获得很大的等效Rc或或Rd的。的。 晶体管和场效应管是有源元件，又可作为负晶体管和场效应管是有源元件，又可作为负载，故
17、称为载，故称为有源负载有源负载。uiuO一、有源负载共射放大电路一、有源负载共射放大电路2.静态分析静态分析基准电流基准电流空载时空载时T1管的静态集电极电流管的静态集电极电流1.电路图电路图VCCui一、有源负载共射放大电路一、有源负载共射放大电路3.动态分析动态分析若若RL(rce1/rce2)，则，则VCCui二、有源负载差分放大电路二、有源负载差分放大电路1.电路图电路图2.静态分析静态分析二、有源负载差分放大电路二、有源负载差分放大电路3.动态分析动态分析 iO = iC4 iC2 = 2 iC4 图图4.2.11有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路当差模信号当差模信号 uI 输入时，输入时，由此可见，输出电流约为单端输出时的两倍。由此可见，输出电流约为单端输出时的两倍。当电路带负载电阻当电路带负载电阻RL时，时，若若RL与与(rce2/rce4)可以相比，可以相比，若若RL(rce2/rce4)，图图4.2.11有源负载差分放大电路有源负载差分放大电路二、有源负载差分放大电路二、有源负载差分放大电路 利用利用镜像电流源镜像电流源可以使可以使单端输出单端输出差分放大电路的差模放差分放大电路的差模放大倍数提高到接近大倍数提高到接近双端输出双端输出的情况。的情况。
