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三极管电流源电路

低压电路 | 发布时间:2018-11-14 | 人气: | #评论# | 本文关键字:三极管,电流源电路
摘要: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 Io 。 (2)交流电阻尽可能大。 图1 三极管电流源电路

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Io
(2)交流电阻尽可能大。
三极管电流源电路图
 图1 三极管电流源电路图

三极管射极偏置电路由VccRb1Rb2Re组成,当VccRb1Rb2Re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。
1 MOS单管电流
耗尽型MOS管组成单管电流源,如图2所示。
由交流等效电路图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。

耗尽型MOS管电流源                
图2耗尽型MOS管电流源     图3 交流等效电路

2 基本镜像电流源
基本镜像电流源电路如图4所示。

基本镜像电流源电路

  图4 基本镜像电流源电路

T1、T2参数完全相同(即β1=β2ICEO1=ICEO2)。
原理:因为VBE1=VBE2,所以IC1=IC2


IREF——基准电流:
推出,当β>>2时,IC2=IC1IREF
优点:
(1)IC2IREF,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)IC2IREF的镜像精度决定于β。当β较小时,IC2IREF的差别不能忽略。
3. 带有缓冲级的基本镜像电流源(改进电路一)

基本镜像电流源电路

图5 基本镜像电流源电路

图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。

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。
4. 比例电流源(改进电路二)
图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:
镜像电流源及其等效电路

图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,IE1IRIE2Io

Io≈
参数对称的两管在IC相差10倍以内时,|VBE1-VBE1|<60mV。
所以,如果IoIR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。
5 微电流源
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:


Io
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:

微电流源电路

图7 微电流源电路
(1)T1,T2是对管,基极相连,当VccRRe2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Re的值一般为千欧级,变化部分主要降至Re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,IC2 Re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

6 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Re1Re2,主要是用T4的输出电阻代替Re。由图8得:


再由电路图及等效电路图9可求出输入电流Io及输出电阻Ro
串接电流源电路图      串接电流源等效电路图
图8 串接电流源电路图      图9 串接电流源等效电路图

Ro≈

7 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10所示。
其等效电路如图11所示。

镜像电流源作为T1集电极Rc         镜像电流源作为T1集电极Rc
图10 镜像电流源作为T1集电极Rc    图11  镜像电流源作为T1集电极Rc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)

镜像电流源-比例电流源-微电流源-MOS单管电流源-电路图


责任编辑:三极管
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