4.5 4.5 电流源电路及其应用电流源电路及其应用

直流状态工作时，可提供恒定的输出电流 IO 。 交流工作时，具有很高输出电阻 RO ，可作有源负载使用。

+

-

VQ+v

RiB 恒定

iC 外电路

（电流源电路）

+

-

VQ

R

电流源IO

（直流状态）

+

-

R

电流源

ROv

（交流状态）

电流源电路特点：

对电流源电路要求：直流状态工作时，要求 IO 精度高、热稳定性好。交流状态工作时，要求 RO 大（理想情况 RO ）。

利用 iB 恒定时， iC 接近恒流特性而构成。

电流源电路原理：

4.5.1 4.5.1 镜像电流源电路 镜像电流源电路

假设 T1 、 T2 两管严格配对

基本镜像电流源基本镜像电流源

T1

VCC

iC1

R

T2

IR

iC2=IO

vBE1 = vBE2 由于

根据 T

BE

eSCV

v

Ii C2C1 ii 得知

因此，称 iC2 是 iC1 的镜像。

参考电流R

VVI BE(on)CC

R

由于 )2

1(2 C1B1C1R iiiI )

21(C2 i

/21R

C2o

IiI因此 RI （ >>2

）

当温度变化时，由于、 VBE(on) 的影响， IO 热稳定性降低。

IO 精度及热稳定性

/21R

o

II由 得知：

当 较小时， IO 与 IR 之间不满足严格的镜像关系， IO 精度降低。

输出电阻 RO

由R

VVI BE(on)CC

R

得知：

当考虑基宽调制效应时，根据 )/1(e ACESCT

BE

VvIi V

v

)(BE(on)A

CEQ2AC1C2 VV

VVii

得 则/21

Ro

II )(

BE(on)A

CEQ2A

VV

VV

VA 除了降低 IO 精度外，还造成 RO 较小， IO 恒流特性变差。 RO= rce2

减小减小 影响的影响的镜像电流源镜像电流源

T1

VCC

iC1

R

T2

IR

IOi

RE

T3

结构特点T1 管 c 、 b 之间插入一射随器 T

3 。 电路优点减小分流 i ，提高 IO 作为 IR 镜像的精度。由图

1

2 B1C1C1R

iiiiI

])1(

21[O I

R2

2

O 2II

整理得 式中

R

VVI BE(on)CC

R

2

RO= rce2输出电阻

比例式镜像电流源比例式镜像电流源

T1

VCC

iE1

R

T2

IR

IO

R1 R2

iE2

结构特点两管射极串接不同阻值的电阻。

电路优点RO 增大， IO 恒流特性得到改善。

)//

1(1e2b2

22ce2O RRrR

RrR

由（较大）

2E2BE21E1BE1 RivRiv

)/ln( C2C1TBE2BE1 iiVvv

RC1E1 Iii

OC2E2 Iii （较大）得 )/ln()/(/ OR2T21RO IIRVRRII

当 )/ln( ORT1R IIVRI 时

得 21RO / RRII

式中1

BE(on)CCR RR

VVI

微电流源微电流源

T1

VCC

R

T2

IR

IO

R2

iE2

令比例镜像电流源中的 R1=0 。由 )/ln()/(/ OR2T21RO IIRVRRII

式中R

VVI BE(on)CC

R

根据集成工艺的要求，电阻 R 不易做太大，故前述电流源的 IO 只能做到 mA 量级。

)/ln()/( OR2TO IIRVI 得

)1(e2b2

22ce2O

rR

RrR

输出电阻

电路优点：可提供 A 量级的电流，且 RO 大，精度高。

MOS 镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，只是原参考支路中的电阻 R 被有源电阻 T3 取代。

T1

VCC

T2

IR

IOT3

VSS

若T1 T2 性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为 (W/l )1 、 ( W/l )2

根据

2GS(th)GS

OXnD ))((

2VV

l

WCi

OD2D1R IiiI

DS1DS3SSDD vvVV GS1DS1 vv GS3DS3 vv ，

得 R1

2O )/(

)/(I

lW

lWI

2

GS(th)GS1SSDD

GS(th)GS1

1

3 )()/(

)/(

VvVV

Vv

lW

lW

2GS(th)GS11

OXnR )()(

2Vv

l

WCI

其中

MOSMOS 镜像电流源（不要求）镜像电流源（不要求）

4.5.3 4.5.3 有源负载差分放大器 有源负载差分放大器

T1 、 T2 构成的镜像电流源代替 RC4

。

T1

VCC

iC3

T2

vi1

T3 T4IEE

VEE

iO

iC4

iC2

vi2

电路组成：T3 、 T4 构成双端输入单端输出差放。

电路特点： 由镜像电流源知 C3C2 ii

当差模输入时 C3C4 ii

则差模输出电流 C3C4C2O 2iiii

当共模输入时 C3C4 ii

则共模输出电流 0C4C2O iii

T1

VCC

iC3

T2

vi1

T3 T4IEE

VEE

iO

iC4

iC2

vi2 性能分析：

结论：该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。

2/EECQ4CQ3CQ2CQ1 IIIII 由于

则 TCQm4m3m2m1 /VIgggg

)//( ce4ce2m4Lm4d rrgRgAv 差模增益

差模输入电阻 ebe4be3bid 2)(2 rrrR

差模输出电阻 ce4ce2O // rrR

4.6 4.6 集成运算放大器集成运算放大器集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。

集成运放性能特点Av 很大：（ 104 ~ 107 或 80 ~ 140dB）Ri 很大：（几 k ~ 105 M 或 ）Ro 很小：（几十 ）静态输入、输出电位均为零。

集成运放电路符号

反相输入端

同相输入端输出端

v-

v+

vo

+

-

集成运放电路组成

由于实际电路较复杂 ，因此读图时，应根据电路组成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。

输入级 中间增益级 输出级

偏置电路采用改进型差分放大器

采用 1~2 级共发电路

采用射随器或互补对称放大器

采用电流源

F007F007 集成运放内部电路 集成运放内部电路 输入级组成：

由 T1 、 T3 和 T2 、 T4 组成的共集—共基组合电路构成双入单出差放。

T5 、 T6 、 T7 组成的改进型镜像电流源作 T4 管的有源负载。

T8 、 T9 组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻 REE 。

输入级特点：

改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。

中间级组成： T17 构成共发放大器。 T13B 、 T12 组成的镜像电流源作有源负载，代替集电极电阻 RC 。电路特点： 中间级是提供增益的主体，采用有源负载后，电压增益很高。隔离级 ： T16 管构成的射随器作为隔离级 ，利用其高输入阻抗的特点，提高输入级放大倍数。

输出级组成：T14 与 T20 组成甲乙类互补对称放大器。该放大器采用两个射随器组合而成。电路特点：输出电压大，输出电阻小，带负载能力强。过载保护电路 ：T15 、 R6 保护 T14 管， T

21 、 T22 、 T24 、 R7 保护 T20 管。正常情况保护电路不工作，只有过载时，保护电路才启动。

隔离级 ：

T23A 管构成的有源负载射随器作为隔离级，可提高中间级电压增益。

T13A 与 T12 组成的镜像电流源作有源负载，代替 T23A 的发射极电阻 RE 。

偏置电路：

偏置电路一般包含在各级电路中，采用多路偏置的形式。

T10 、 T11 构成微电流源，作为整个集成运放的主偏置。

电平位移电路 ：

输入级共集—共基组合电路中，采用极性相反的 NPN 与 PNP 管进行电平位移。不专门另设电平位移电路。 将上述单元电路功能综合起来可见， F007 是

实现高增益放大功能的一种集成器件。 它具有高 Ri 、低 Ro 、高 Av 、高 KCMR 、低失调、零输入时零输出等特点，是一种较理想的电压放大器件。

补充 功率放大器补充 功率放大器

作用：高效地实现能量变换和控制。 种类： 根据应用领域和处理对象不同

(1) 功率放大电路： 放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。

(2) 电源变换电路： 对电源能量进行特定变换。用于电源设备、电子系统、工业控制。

1 功率放大器概述

1.1 功率放大器与其它放大器相比 相同点： 均在输入信号作用下，将直流电源的直流功

率转换为输出信号功率。 不同点： 性能要求和运用特性不同。

一、功率放大器的性能要求

1. 安全。 输出功率大，管子大信号极限条件下运用。

2. 高效率。

用 ηc 集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效率：

Co

o

D

oc PP

P

P

P

Po —— 输出信号功率 (Output Signal Power)；式中：

PD —— 电源提供的功率； PC —— 管耗 (Power Dissipation)

Po 一定， ηc 高→ PD 小→ PC 小 → 可选 PCM 小的管子，以降低费用。

3. 失真小。 输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。 作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。 二、功率管的运用特点1. 功率管的运用状态

根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。

功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。

甲类：功率管在一个周期内导通 (如小信号放大 ) 。

乙类：功率管仅在半个周期内导通。 甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。

丙类：功率管小于半个周期内导通。

2. 不同运用状态下的 ηC

管子的运用状态不同，相应的 ηCmax 也不同。

Co

oc PP

P

减小 PC 可提高 ηC 。 假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE ，则 PC 为

π2

o CECC dπ2

1tviP

讨论：若减少 PC ，则要减少 iC × vCE

途径 1 ：由甲类→甲乙类→乙类→丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大 iC ＝ 0 的时间。

途径 2 ：使管子运用在开关状态 ( 又称丁类 ) ；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时， vCE ≈ vCE (sat) 很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗 iC × vCE 处在很小的值上。截止时，不论 vCE 为何值， iC 趋于 0 ， iC × vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小， ηC 显著增大。

总结：为提高集电极效率，管子的运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。

1.2 电源变换电路1.3 功率器件

功率管是功率放大电路的关键器件，如何选择功率管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。

双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数的限制： (1) 集电极最大允许管耗 PCM 。还与散热条件密切相关

(2) 集电极击穿电压 V(BR)CEO

(3) 集电极最大允许电流 ICM

以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。

一、功率管散热和相应的 PCM

耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集电结上，造成集电结发热，结温升高。

若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。

集电结结温 (Tj) 升高 → 集电极电流 (iC) 增大 → PC 增大 → Tj 随之升高 → i

C 增大 → PC 增大 → Tj 升高，如此反复，直至 Tj 超过集电结最高允许温度 TjM ，导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。

热崩 (Thermal runaway) ：

金属底座又与管壳相连的结构。此外，金属底座还加装金属散热器( 如图 )

(a) (b) 功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路

实践中，为了利于集电结的散热，以提高 PCM ，双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上，

散热器：翼状结构，以增大散热面积。面积越大，厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。

二、二次击穿 要保证功率管安全工作，除满足由 PCM 、 ICM 和V(BR)CEO 所规定的安全工作条件外，还要求不发生二次击穿。 二次击穿 (Secondary Breakdown) ：当集电极电压超过 V(BR)CEO ，会引起击穿，只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于 V(BR)

CEO 后，管子恢复正常工作。如上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击穿。

二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起vCE下降， iC 剧增，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，破坏性的。 发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称为二次击穿耐量 PSB 。

功率放大电路使用双极型功率晶体管外，还使用功率 MOS 管，绝缘栅双极型功率管。