第五节电流源电路及其应用

第五节电流源电路及其应用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。T1T2VCCiC2=IOiC1IRR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T1T2VCCiC2=IOiC1IRR由于而IS

与发射结面积成正比，因此有当时则由此式可以看出T1管的电流I1

等值得转移到T2

管中。当时，T1

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：T1T2VCCiC2=IOiC1IR若T1与T2

的参数完全匹配，当时：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β值产生误差，这个误差随β值的增大而减小。同时IR又与VBE(on)

有关，而β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。只有当时才能忽略温度以及β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：当时，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：Rrerb'egmvb'erce2T1T2VCCiC2=IOiC1IRR2、减小β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β值引入的误差。T1T2VCCiC2=IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3R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。T1T2VCCiC2=IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3R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β值的减小，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。T1T2VCCiC2=IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3RE3R3、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。T1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2如图所示根据电路有设并忽略基调效应。则有因为故T1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2当β值足够大时，所以若

iC1

对IO的比值不太大时，例如、则T1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2并且满足当β值足够大时，所以则有T1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2由此式可知：只要改变两个电阻的比值，就可得到IO

对IR

的不同比例关系，为了保证IO

的精度，除了增大β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。画交流通路T1T2ivRR2R1iE1iE2画交流等效电路Rrerb'egmvb'erce2R1R2ivT1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2R1iE1iE2图中，T1接成二极管，它呈现的交流电阻为re1，由图可见其中，经整理求得(4-5-12)显然，T2管发射极上接电阻R2后，Ro将远大于基本镜像电流源电路的输出交流电阻，表明它具有更优良的恒流特性。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，既是能够满足，则需要R或R2

的电阻值很大，这又不符合集成工艺。T1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2iE2通过对比例电路分析可知若令：R1=0则例如、（1）、要求IO=20μA时，若取IR/IO=10，即IR=0.2mA。试计算R、R2。根据电路所以+9VT1T2VCCiC2=IOiC1IRRR2iE2已知所以（2）、（1）、要求IO=20μA时，若取IR/IO=100，即IR=2mA。试计算R、R2。根据电路所以所以经过比较可知：lnx

随着x的增大变化的十分缓慢，因此，尽管IR/IO很大，R和R2

都不很大。5、MOS管镜像电流源电路（1）、基本镜像电流源电路T1T2VSSIRIOID1ID2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T1T2VSSIRIOID1ID2已知当时：即在MOS集成电路中，为了节省芯片面积，改进电路性能，电阻几乎都用MOS管有源电阻取代。如图所示根据电路有：T1T2VSSIRIOID1ID2T3VDD所以由IR

来确定VGS1，再由VGS1

确定两管所需的宽长比值。（2）、动态电流镜如图所示T1T2IRIOID1ID2SCgs若在MOS管镜像电流源电路中接入开关S，设、S闭合时，T2

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：S1S3S2TIIIO=IICgs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

时，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。vs1t0vs2t0I

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：T1IT4T3T2IS2S1iiioVDD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T1IT4T3T2IS2S1iiioVDD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而进行。（1）、减小由β值和VA（或λ）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T3T4VCCiC4=IOiC3IRRiC2=iC4T1T2iC1根据电路可得：若β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和变化，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，又改进了电流源的恒流特性，即增大了RO。T3T4VCCiC4=IOiC3IRRiC2=iC4T1T2iC1不过这个电路并没有减小，因β值为有限制而引入的误差。证明、当各管β值相同时，IO

与IR

之间的关系。根据电路有因为所以T3T4VCCiC4=IOiC3IRRiC2=iC4T1T2iC12、反馈型电流源电路T3VCCiC3=IOiB3IRRiC2=iC3T1T2iC1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。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、T3VCCiC3=IOiB3IRRiC2=iC3T1T2iC1因为又因为所以T3VCCiC3=IOiB3IRRiC2=iC3T1T2iC1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：T3T4VCCiC3=IOiC4IRRiC2=iC3T1T2iC1若IOiC3（iE3

）iC2iC1iE4iC42iB3iC3

IO这就是反馈作用根据电路可知T3T4VCCiC3=IOiC4IRRiC2=iC3T1T2iC1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。自己讨论：IO

与IR

之间的关系。三、有源负载差分放大器电路如图所示T1

vi1

T13T4T2

RVCCIRIEEvi2T5VEE电路中、T1、T2、T3

管构成两路镜像电流源，即电流源T2

与电流源T3。它们分别取代了原差分放大器中的RC，它们的统一电流由参考电流IR

设定。这种电路中差分对管的静态电流由有源负载设定，又要由恒流偏置设定，因此，很难做到一致。iC1T1

vi1

T2T3VCCIEEvi2T4VEEiC4iC2iC3iO经常采用的电路如图所示根据电路可知，T1

和T2

管组成镜像电流源，T3

与T4管组成差分放大器，电路的输出端为T4

管的集电极，即为单端输出。分析：在差模的输入信号电压的作用下T3

与T4管分别输出极性相反，数值相等的增量电流即当iC3

通过T1

管时，它将被等值得转移到T2

管上。iC1T1

vi1

T2T3VCCIEEvi2T4VEEiC4iC2iC3iOT4

管的集电极输出电流为：其值恰好等于双端输出时的差模增量电流。可以看出此电路还具有将双端输出转换为单端输出的功能。在共模输入信号电压的作用下，T3

与T4管分别输出极性相同，数值相等的增量电流。即