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因为VBE1=VBE2,所以IC1=IC2
图3.1.4基本镜像电流源电路
IREF——基准电流:
推出,当β>
>
2时,IC2=IC1≈IREF
优点:
(1)IC2≈IREF,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)IC2与IREF的镜像精度决定于β。
当β较小时,IC2与IREF的差别不能忽略。
1.带有缓冲级的基本镜像电流源(改进电路一)
图3.1.5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。
图3.1.5基本镜像电流源
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。
2.比例电流源(改进电路二)
图3.1.6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:
图3.1.6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,IE1即IR,IE2即Io)
Io≈
参数对称的两管在IC相差10倍以内时,|VBE1-VBE1|<
60mV。
所以,如果Io与IR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。
3.1.4微电流源
图3.1.7微电流源电路
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3.1.7即可以在Re2不大的情况下得到微电流IC2。
当IR一定时,Io可确定为:
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:
(1)T1,T2是对管,基极相连,当VCC、R、Re2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Re2的值一般为千欧级,变化部分主要降至Re2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IC2Re=26ln10≈60mV
即电流每增加10倍,IC2Re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10µ
A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
,
3.1.5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Re1,Re2,主要是用T4的输出电阻代替Re2。
由图3.1.8得:
再由电路图及等效电路图3.1.9可求出输入电流Io及输出电阻Ro。
图3.1.8串接电流源电路图
图3.1.9等效电路图
3.1.6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3.1.10所示。
其等效电路如图3.1.11所示。
图3.1.10镜像电流源作为T1集电极Rc
图3.1.11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)。
练习题
1.在图3.1.12的小镜像恒流源电路中,已知VCC=30V,电阻R=30kΩ,Vbe=0.6V,T=300K,要求输出电流Io为10µ
A。
试确定Re的值。
Re=11.9kΩ
2.在图3.1.13镜像恒流电路中,三极管T1、T2、T3完全对称。
(1)试求输出电流Io与参考电流IR之间的关系;
(2)已知R=13.8kΩ,VCC=15V,Vbe=0.6V,β很大,试求输出电流Io的数值。
图3.1.12小镜像恒流源电路
图3.1.13镜像恒流电路
,Io=1mA
3.2差动放大电路
图3.2.1基本差动式放大器
3.2.1基本差动放大电路
在直接耦合放大电路中提到了零漂的问题,抑制零漂的方法一般有如下几个方面:
(1)选用高质量的硅管。
(2)采用补偿的方法,用一个热敏元件,抵消IC受温度影响的变化。
(3)采用差动放大电路。
本节详细讨论差动放大器的工作原理和基本性能,如图3.2.1所示。
基本差动式放大器如图3.2.1所示。
T1、T2——特性相同的晶体管。
电路对称,参数也对称,如:
VBE1=VBE2=VBE,Rc1=Rc2=Rc,
Rb1=Rb2=Rb,Rs1=Rs2=Rs,
β1=β2=β;
电路有两个输入端:
b1端,b2端;
有个输出端:
c1端,c2端。
在分析电路特性之前,必须熟悉两个基本概念——共模信号和差模信号。
1.差放有两输入端,可分别加上输入信号vs1、vs2
若vs1=-vs2——差模输入信号,大小相等,对共同端极性相反的两个信号,用vsd表示。
若vs1=vs2——共模输入信号,大小相等,对共同端的极性相同,按共同模式变化的信号,用vsc表示。
实际上,对于任何输入信号和输出信号,都是差模信号和共模信号的合成,为分析简便,将它们分开讨论。
考虑到电路的对称性和两信号共同作用的效果有:
vs1→
vs2→
于是,此时相应的差模输入信号为:
vsd=vs1-vs2差模信号是两个输入信号之差,即vs1、vs2中含有大小相等极性相反的一对信号。
共模信号:
vsc=(vs1+vs2)/2共模信号则是二者的算术平均值,即vs1、vs2中含有大小相等,极性相同的一对信号。
即对于差放电路输入端的两个任意大小和极性的输入信号vs1和vs2均可分解为相应的差模信号和共模输入信号两部分。
例:
如图3.2.2所示,vs1=5mV,vs2=1mV,则vsd=5-1=4mV,vsc=0.5(5+1)=3mV。
图3.2.2差动式放大电路
也就是说,两个输入信号可看作是
vs1=5mV→3mV+2mV
vs2=1mV→-3mV+2mV
差模输入信号vsd=4mV和共模输入信号vsc=3mV叠加而成。
2.差模信号和共模信号的放大倍数
放大电路对差模输入信号的放大倍数称为差模电压放大倍数AVD:
AVD=vo/vsd。
放大电路对共模输入信号的放大倍数称为共模电压放大倍数AVC:
AVC=vo/vsc。
在差、共模信号同存情况下,线性工作情况中,可利用叠加原理求放大电路总的输出电压vo。
vo=AVDvsd+AVCvsc
设有一个理想差动放大器,已知:
vs1=25mV,vs2=10mV,AVD=100,AVC=0。
差模输入电压vsd=___mV;
共模输入电压vsc=___mV;
输出电压vo=___mV。
vsd=vs1-vs2=15mV
vsc=(vs1+vs2)/2=35/2=17.5mV,vo=AVDvsd+AVCvsc
=100×
15+0×
17.5
=1500mV
3.2.2差放电路的工作原理
图3.2.3差动式放大电路
1.静态分析,因没有输入信号,即vs1=vs2=0时,由于电路完全对称:
所以输入为0时,输出也为0。
2.加入差模信号时,即
。
从电路看:
vb1增大使得ib1增大,使ic1增大使得vc1减小。
vb2减小使得ib2减小,又使ic2减小,使得vc2增大。
由此可推出:
vo=vc1-vc2=2v(v为每管变化量)。
若在输入端加共模信号,即vs1=vs2。
由于电路的对称性和恒流源偏置,理想情况下,vo=0,无输出。
这就是所谓“差动”的意思:
两个输入端之间有差别,输出端才有变动。
3.在差动式电路中,无论是温度的变化,还是电流源的波动都会引起两个三极管的ic及vc的变化。
这个效果相当于在两个输入端加入了共模信号,理想情况下,vo不变从而抑制了零漂。
当然实际情况下,要做到两管完全对称和理想恒流源是比较困难的,但输出漂移电压将大为减小。
综上分析,放大差模信号,抑制共模信号是差放的基本特征。
通常情况下,我们感兴趣的是差模输入信号,对于这部分有用信号,希望得到尽可能大的放大倍数;
而共模输入信号可能反映由于温度变化而产生的漂移信号或随输入信号一起进入放大电路的某种干扰信号,对于这样的共模输入信号我们希望尽量地加以抑制,不予放大传送。
凡是对差放两管基极作用相同的信号都是共模信号。
常见的有:
(1)vi1不等于-vi2,信号中含有共模信号;
(2)干扰信号(通常是同时作用于输入端);
(3)温漂。
静态估算:
3.2.3差放电路的动态分析
差放电路有两个输入端和两个输出端。
同样,输出也分双端输出和单端输出方式。
组合起来,有4种连接方式:
双端输入双端输出、双入单出、单入双出、单入单出。
1.双入双出
(1)输入为差模方式:
,若ic1上升,而ic2下降。
电路完全对称时,则|Δic1|=|Δic2|因为I不变,因此Δve=0(vo1=vc1,vo2=vc2)。
即AVC=A1(共发射单管放大电路的放大倍数)。
有负载RL时
图3.2.4差动放大器共模输入交流通路及其等效电路
因为RL的中点是交流地电位,因此在其交流通路中,电路中线上各点均为交流接地,由此可画出信号的交流通路如图3.2.4所示,由上面的计算可见,负载在电路完全对称,双入双出的情况下,AVD=A1,可见该电路使用成倍的元器件换取抑制零漂的能力。
差模输入电阻Ri——从两个输入端看进去的等效电阻Ri=2rbe。
差模输出电阻Ro的值为Ro=2Rc
Ro、Ri是单管的两倍。
(2)输入为共模方式:
vs1=vs2,此时变化量相等,vc1=vc2
实际上,电路完全对称是不容易的,但即使这样,AVC也很小,放大电路的抑制共模能力还是很强的。
2.双入单出
对于差模信号:
由于另一三极管的c极没有利用,因此vo只有双出的一半。
差模输入电阻:
由于输入回路没变,Ri=2rbe
差模输出电阻:
Ro=Rc1。
对于共模信号,因为两边电流同时增大或同时减小,因此在e处得到的是两倍的ie。
ve=2ieRe,这相当于其交流通路中每个射极接2Re电阻。
(Re——恒流源交流等效电阻)
当Re上升,即恒流源越接近理想的情况,AVC越小,抑制共模信号能力越强。
3.单入双出、单出
若vs1=vi>0,则ic1增大,使ie1也增大,ve增大。
由于T2的b级通过Rs接地,如图3.2.6所示,则vBE2=0-ve=-ve,所以有vBE2减小,ic2也减小。
整个过程,在单端输入vs的作用下,两T的电流为ic1增加,ic2减少。
所以单端输入时,差动放大的T1、T2仍然工作在差动状态。
图3.2.52Re为等效电阻
图3.2.6单端输入、双端输出电路
从另一方面理解:
vs1=vi,vs2=0将单端输入信号分解成为一个差模信号vsd和共模信号vsc
将两个输入端的信号看作由共模信号和差模信号叠加而成,即:
电路输出端总电压为:
vo=AVCvsc+AVDvsd
经过这样的变换后,电路便可按双入情况分析:
(1)如为双端输出,则似双入双出中分析:
即可看为单入双出时的输出vo与双入双出相同。
(2)如为单端输出(设从T1,c极输出),则似双入单出中分析
(3)差模输入电阻:
当Re很大时(开路),可近似认为Ri与差动输入时相似Ri≈2rbe
(4)输出电阻:
双出:
Ro=2Rc
单出:
Ro=Rc
注:
对于单入单出的情况,从T1的c极输出,和从T2的c极输出时输入,输出的相位关系是不同的。
从T1的c极输出如图3.2.7所示。
设vi的瞬时极性大于零,则ic1增大,vc1减小,所以输出与输入电压相位相反,所以AVD<
0。
从T2的c极输出如图3.2.8所示。
设vi的瞬时极性大于零,则ic1增大,ve增大,使得vBE2减小,所以ic2减小,vc2增大,输入输出相位相同。
所以AVD>
由以上分析可知在单入单出差放电路中,如果从某个三极管的b极输入,然后从同一个T的c极输出,则vo和vi反相;
如果从另一T的c极输出,则vo和vi同相。
顺便提一下,在单出的情况下,常将不输出的三极管的Rc省去,而将T的c极直接接到电源VCC上。
图3.2.7从T1的c极输出
图3.2.8从T2的c极输出
3.2.4共模抑制比
共模抑制比KCMR是衡量差放抑制共模信号能力的一项技术指标。
定义:
有时用分贝数表示:
AVD越大,AVC越小,则共模抑制能力越强,放大器的性能越优良,所以K越大越好。
在差放电路中,若电路完全对称,如图3.2.9所示,则有:
图3.2.9基本差动放大电路在共模输入时的交流通路
(1)双端输出时,KCMR趋于无穷(AVC→0)。
(2)单端输出时,
由此得,恒流源的交流电阻Re越大,K越大,抑制共模信号能力越强。
由此知,设计放大器时,必须至少使KCMR>
vsc/vsd。
例如:
设KCMR=1
000,vsc=1mV,vsd=1µ
V,则
这就是说,当K=1
000时,两端输入信号差为1µ
V时所得输出vo与两端加同极性信号1mV所得输出vo相等。
若KCMR=10
000,则后项只有前项1/10,再一次说明K越大,抑制共模信号的能力越强。
例题一设长尾式差放电路中,Rc=30kΩ,Rs=5kΩ,Re=20kΩ,VCC=VEE=15V,β=50,rbe=4kΩ。
本题电路如图3.2.10所示。
(1)求双端输出时的AVD;
(2)从T1的c极单端输出,求AVD、AVC、KCMR;
(3)在(b)的条件下,设vs1=5mV,vs2=1mV,求vo;
(4)设原电路的Rc不完全对称,而是Rc1=30kΩ,Rc2=29kΩ,求双出时的KCMR。
解:
图3.2.10长尾式差放电路
(1)双出时:
(2)单出时,AVD为双出时的一半:
(3)
vs1=5mV,vs2=1mV
则vsd=vs1-vs2=5-1=4mV
vsc=0.5(vs1+vs2)=0.5×
(5+1)=3mV
vo=Avdvsd+Avcvsc=(-83.3×
4)+(0.732×
3)=-335.4mV
(4)Rc1不等于Rc2,则
所以
结果说明,在双出时,若参数有差别,由于利用了两个T的输出电压的互相抵消作用,因此|AVC|仍比单出时小得多;
而|AVD|比单出大。
所以KCMR比单出时高得多。
图3.2.11改进型差放电路
例题二改进型差放电路(它用电流源代替a长尾Re,并加电位器RP,用于调整Rc不对称的情况。
)集成运放BG305的输入级如图3.2.11所示,各T的β1=β2=30,β3=β4=β5=β6=50,各T的vBE=0.7V,Rb=100kΩ,Rc=50kΩ,RP=10kΩ(滑动端调至中点),Re=1kΩ,RL即第二级的Ri为23.2kΩ。
求:
(1)该放大级的静态工作点;
(2)差动放大倍数AVD;
(3)差动输入电阻Ri,差动输出电阻Ro。
(1)当T5的基极电流可忽略时,流过Rb的电流为:
≈0.3mA
则
=0.15mA=150μA
3μA
0.1μA=100nA
(2)
图3.2.12T1、T3复合为一个三极管
由IE1=3μA,IE3=0.15mA
则
≈1500
(3)Ri=2rbe=2×
551kΩ=1.1MΩ
Ro=2Rc+RP=110kΩ
例题三如图3.2.13所示,利用镜像电流源还可使单端输出的差放AVD提高近一倍,静态时:
IC1=IC2=I/2,IC3≈IC1=IC4≈IC2→Io=IC4-IC2=0,vid:
有ic1,ic2=-ic1。
电流源ic3=ic4≈ic1→io=ic4-ic2,iss=ic1-(-ic1)=2ic1,即输出电流比单端输出时大了一倍。
例题四JFEF组成的差放电路如图3.2.14所示,计算双入双出差模放大倍数AVD和单端共模放大倍数AVC。
图3.2.13单端输出差放电路
图3.2.14共模输入信号等效电路图3.2.15关系曲线
3.2.5差放电路的传输特性
1.传输特性
传输特性,指输出信号随输入信号变化而改变的曲线,如图3.2.16所示,此关系曲线可由下面推导而得(由于工作范围逐步扩大,微变等效不适用,因此从基本关系出发):
对于基本差动式放大电路,利用三极管的b-e结VBE与iE间的基本关系有:
→
图3.2.16差动放大器电路及关系曲线
恒流源电流为iE1和iE2之和。
≈
由图3.2.16左图可知:
vsd=vs1-vs2=vBE1-vBE2
所以
同理可求:
以Vsd/VT为横坐标,以归一化电流ic1/IEE和ic2/IEE为纵坐标可得出如图3.2.16所示的曲线,又
分子分母同乘
可得:
2.关系曲线的作用
(1)当vi=0电路处于静态时
ic=ic1-ic2=0
vo=0,
反映了差放电路的本质。
(2)在vid=vsd=±
vT=±
26mV范围内电流和电压有良好的线性关系,差动放大器比单管放大器非线性关系小。
(3)当输入电压超过±
4vT=±
100mV后,按原来曲线已进入非线性阶段,两个放大管的电流几乎不再随输入电压变化,一个T饱和,另一个T截止,差动电路工作在非线性区,这是很有用的限幅特性,可用来构成比较电路,信号产生电路等。
其函数关系如图3.2.17所示。
讨论
(1)两管集电极电流之和恒等于IEE,因此ic1上升必然ic2下降;
静态时vsd=0,静态点Q为二线交点处
(2)差模传输特性是非线性的,服从双曲线正切函数变化规律:
当vi很小时,|vo|正比于|ic|,因此,|vo|正比于|vi|。
其变化规律如图3.2.18所示。
由图3.2.18看出:
当vi=0电路处于静态时
当vi≠0,且vi很小时,ic1上升ic2下降,在放大线性区内,△vo正比于△vid。
当vi大一些时,曲线已进入非线性阶段,一个T饱和,另一个T截止(一般vi≥2vT以后,在vi>
1/2vT内有很好的线性关系,vi=vT近似为线性关系)。
差动电路工作在非线性区时,可用来构成比较电路、信号产生电路等。
利用差放的限幅特性可构成许多功能的电路。
电流开关为其中一种,如图3.2.19所示。
图3.2.17限幅特性
图3.2.18差模传输特性曲线
T2:
VB=vR=+3V,T1的基极输入电压为vi。
工作原理:
当vi=2V(低电平),vid=vi-vR=-1V。
此时T1止,T2通(IE全流过T2)。
vo1=VCC=12V
vo2=VCC-IERc=6V
当vi=4V(高电平),vid=vi-vR=-1V。
此时,T1通,T2止。
vo1=6V,vo2=12V。
分析表明,在vi作用下,恒定电流交替拨向T1管和T2管,好似一个开关称为电流开关电路。
其主要优点:
开关速度快(T交替工作在截止、放大状态,不会进入饱和区,避免了因饱和带来的储存时间)。
差放工作于大信号状态时,vidm受截止管发射结反向击穿电压V(BR)EBO的限制不能无限加大。
如图3.2.20所
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- 电流 电路 差动 又称 放大