第三章  集成运算放大器

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知识点二：电流源电路

电流源是指电流恒定的电源。前面所讨论的放大电路，其静态工作点一般是利用电阻元件来建立。但在集成电路中制造一个三端器件比制造一个电阻所占用的面积小，也更经济。三端器件BJT或FET的输出特性在放大区内均具有近似恒流的特性，其动态输出电阻值均很高，因而可以利用三端器件的这两个特性，对其稍加改进，即可制成较好的电流源，为集成电路提供不随温度及电源电压变化而变化的稳定的静态工作电流，并可用作有源负载。下面介绍几种常见的电流源。

2.1  镜像电流源

电路如图3.12（a）所示，图中T1、T2组成对三极管，设T1、T2的参数完全相同。由于两三极管具有相同的VBE电压，所以IE1=IE2，IB1=IB2=IB，IC1=IC2。图中IREF为参考电流，由图可知：IREF=IC1+2IB，IC1=βIB。由此得

若β>>1，则

由上式可以看出，当电源VCC和R确定后，IREF就确定了，不管T2集电极支路中的负载RL如何，Io总是等于IREF，二者关系像一面镜子，所以称图3.12（a）所示电路为镜像电流源。图3.12（b）是它的代表符号，图3.12（c）为电流源的输出特性曲线，ro表示电流源的交流等效输出电阻。由图可知，输出特性的电流在一定范围内基本恒定，其斜率的倒数即为交流输出电阻ro。

这种电流源的优点是结构简单，两三极管的VBE有一定的相互温度补偿作用。但是，它也存在以下不足之处：

① 受电源的影响大。当VCC变化时，IC2也同样随之变化。因此，这种电流源不适用于电源电压大幅度变动的场合。

② 镜像电流源电路适用于较大工作电流（毫安数量级）的场合。当要求得到小的电流时，如微安级的电流Io，就要求电阻R较大。例如，当VCC=15V时，要求Io=10μA，则R约为1.5MΩ，这已大大超出集成工艺所允许的电阻值范围。

③ 由于恒流特性不够理想，三极管c、e极间电压变化时，ic也会作相应的变化，即电流源的输出电阻ro还不够大。

2.2  微电流源

在集成电路中，为了降低功耗及提高放大电路的输入电阻，一般都使电路工作在小电流状态。为了从镜像电流源电路中获得小的输出电流（如微安数量级），须在原电路基础上进行改进，如图3.13所示。由图可以看出，它是在图3.12的基础上，给T2的发射极增加了电阻Re，此时VBE2<VBE1。因此，即使IC1比较大，但由于Re的存在，将使输出电流IC2＜IC1，即在R不太大的情况下，也能获得微小输出电流。

由图3.13可得

再由二极管的基本公式

其中IES为发射结反向饱和电流，所以

设IES1=IES2，即得

这是一个超越方程，一般可用试探法或图解法来解。但在设计中一般是先确定IREF和IC2的数值，再确定选择Re的值，这是十分容易求的。

与镜像电流源① 式（3.2.4）中，一般∆VBE很小（约几十毫伏），因而采用不大的Re即可获得较小的输出电流IC2（微安数量级），因而称为微电流源。

相比，微电流源具有以下特点：

① 式（3.2.4）中，一般∆VBE很小（约几十毫伏），因而采用不大的Re即可获得较小的输出电流IC2（微安数量级），因而称为微电流源。

② 当电流源电压VCC变化时，虽然IREF与IC2也要作相应的变化，但由于Re的作用，使VBE2<< VBE1，以至T2的VBE2的值很小，工作在输入特性的弯曲部分，使IC2的变化远小于IREF的变化，故提高了恒流源对电源变化的稳定性。

③ 由于Re引入电流负反馈，不仅提高了电路输出电流的稳定性，同时也提高了T2的集电极输出电阻，使它更接近于理想的恒流源。

2.3  多路电流源

前面介绍的两种电流源电路，都是利用一个参考电流来获得另一路输出电流。如果要想利用一个参考电流获得多路输出电流，而且各路电流可以相同，也可以不相同，只要在上述电流源电路的基础上加以推广即可。推广后的一种多路电流源电路如图3.14所示。图中，T1构成参考电流源，T2和T3分别与T1组成微电流源电路，T4与T1组成镜像电流源电路。只要参考电流IREF一定，即可获得多路不同数值的稳定输出电流。

电流源电路的形式很多，不过基本上都是在镜像电流源电路基础上进行改进，这里不再赘述。

2.4  电流源的主要作用

1．作直流偏置电路

图3.15是用电流源作为T3直流偏置的共集电极放大电路，Tl、T2组成的镜像电流源为放大管T3提供稳定的射极偏置电流Io。该电流不受T3基极直流偏压波动的影响。

2．作有源负载

电流源取代电阻作放大电路的负载，称为有源负载。由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特性（见图3.16），用电流源作负载可以在不用提高电源电压的条件下，获得较高的电压增益和较宽的动态范围。

例如，在前面章节求各种放大电路的电压增益时，得出电压增益正比于负载电阻RL′，提高负载有利于增益的提高。而RL′=Rc//RL，RL是所要带动的负载，所以提高RL′可通过提高Rc来达到。但Rc增大，会影响静态工作点，使放大电路的动态范围减小。而电流源具有交流电阻大，直流电阻小的特点，故用电流源代替电阻Rc，将有效地提高该级的电压增益，对负载阻值较大的场合，效果更为突出。如图3.17所示电路中，T1为放大晶体管，T2、T3组成镜像电流源代替T1集电极电阻Rc作有源负载。由于恒流源交流等效电阻为无穷大，可视为开路，则T1变化的电流βib1全部流向RL，故电压增益得到提高。这种有源负载放大电路在集成电路中获得了极为广泛的应用。