电流源电路及其应用.ppt

1、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。,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

2、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。,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：,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

3、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，

4、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，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,当值足够大时，,所以,若 iC1 对 IO 的比值不太大时

5、，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。,画交流通路,画交流等效电路,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

6、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。,通过对比例电路分析可知,若令：R1 =0,则,例如、,（1）、要求 IO =20A 时，若取 IR/IO =10 ，即 IR=0.2mA。试计算 R 、R2 。,根据电路,所以,已知,所以,（2）、（1）、要求 IO =20A 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

7、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,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：,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,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，

8、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 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

9、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

10、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 。,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

11、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 。,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

12、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。,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,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。,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。,T4 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