恒流源 恒流源是如何恒流

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闹了半天,这里还要花一篇文章来介绍运放中的电流源,让gemfield也觉得吃不消。但是,需要认真考虑的是,运放可是个不得了的东东。严肃的讲来,运放简直就是电路体里的细胞。当然这些概念,留待下周讨论了。

运放中的电流源的作用主要有两个:第一、为各级提供合适的静态电流,也就是提供最为恰当的偏置;第二、作为有源负载取代高阻值的电阻,这样就可以增大放大电路的电压放大倍数。下面就由gemfield慢慢说来。

运放中的电流源大致有:镜像电流源、比例电流源、微电流源、改进型电流源(加射极输出器的电流源、威尔逊电流源)、多路电流源等。

镜像电流源没什么好说的,两个管子一模一样,当然基极电流也就一样了,最后的结果就是,只要它的放大系数不是低的让人吃惊的话,右边的这个管子的集电极电流就等于左边的集电极电流也等于流经电阻R的电流。当然,像一些温度补偿的特性,这个电路也可以轻松达到。总之,这个镜像电流源的优点是结构简单,因而应用广泛;而要说不好的地方嘛,在Vcc一定时,若要求Ic大,则流经R电阻的电流也就越大,R的功耗自然就大,我们知道功耗对于集成电路来说,就是生命;而相反,要求Ic小的话,则流经R的电流就小,这就要求R的值比较大,但你知道,在集成电路里,弄个大电阻是难于上蜀道的。那么,其它形式的电源电路就有市场了。

下面的这个电路图是比例电流源,你一看就知道比例电流源就是在镜像电流源的两个管子的发射极各加了一个电阻,因此你也可以轻松认识到,这两个电阻将要发挥核心作用。

是的,正是由于这两个电阻的存在,破坏了两个集电极电流之间的镜像关系,变成了一种新的关系,不是全球性战略合作伙伴关系,而是比例关系,这个比例系数就是Re0/Re1,放在下面这个公式里:Ic1(右边的管子的集电极电流)=比例系数乘以Ir(流经R的电流)。看过gemfield的共射放大器文章的人此刻已经灵敏的感受到,这两个核心的发射极电阻不正是电流负反馈电阻吗?是的,因此这个比例电流源电路具有更高的温度稳定性。但是,集成运放输入级放大管的集电极(发射极)静态电流很小,一般是几十个微安,甚至还要小一个量级。有人问,你说这个干嘛?你要集电极静态电流小,不很简单的问题吗?上面不是有个比例系数?你把分子减为零不就可以小到极致了吗?正是,这个时候,我们还是专业的给它另起个名字,叫作微电流源,电路如下:

Ic1约等于Ie1=(Ubeo-Ube1)/Re;在这个公式中,分子约为几十个毫伏,那么Re只要取上几千个欧姆,那么想要的几十个微安的集电极静态电流不久应运而生了?

以上的三人行中,必须是管子的放大系数很大才行,假设碰到放大系数不理想的管子,比如去10倍,那么产生的误差也会达到百分之十几的惊人水平,因此我们得想出个良策来应对这个灾难。那就是我们的改进型电流源。

在上面的这个电流源里,它与镜像电流源的区别就在于左管的集电极与两管的基极之间加上了一个晶体管,并且这个晶体管与下面两个管子的特性是一模一样的。由于这会儿两管的基极电流由上管的发射极提供,而发射极提供的电流虽然取自Ir(流经R的电流),但已经经过了上管自身的放大,因此从Ir处索取的电流就小多了。这造成的后果就是,当管子的放大系数再次低的惊人时,比如10倍,这个时候镜像电流按照公式获得的值的误差将会被缩小到百分之一或百分之二,一个很优秀的镜像关系将因此而继续保持下来。

威尔逊电流源则在进一步提高输出电流稳定性和减小对放大系数的依赖方面作出了贡献。

恒流源 恒流源是如何恒流

威尔逊电流源电路利用电流负反馈原理来进一步提高镜像输出电流的温度稳定性和增大动态输出电阻。当温度或负载变化使IoIC2)增大时,IE2随之增大,IC3及其镜像电流IC1亦随之增大,促使VC1(VB2)减小、IB2减小,Io减小,稳定了Io

经过上面这些作坊式的电流源的介绍,我们得意窥见电流源恣意变形的背后本质。然而集成运算放大器是一个多级放大电路,因而需要多路电流源分别给各级提供合适的静态电流或者叫作偏置也好。我们可以利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流来满足各个放大极的需要。

流经R的电流依然为基准电流Ir,它为右边三个电流源提供最初始的能量。三路输出的电流相等,如果你的管子一样的话。

集成电路中最容易碰到的还是下面这个多集电管构成的多路电流源,管子多为横向PNP管。当它的基极电流一定时,集电极电流之比等于它们的集电区面积之比。

共射放大器中,为了提高电压放大倍数的数值,行之有效的方法是增大集电极电阻Rc的值,以此来通过恒定的集电极电流搏动更大的电压差。然而,为了维持晶体管的静态电流不变,在增大Rc的同时必须提高电源电压。当电源电压大到一定程度时,电路的设计就快要土崩瓦解了。这样在集成运放中,我们常用电流源电路来取代Rc,这样在电源电压不变的情况下,就可以获得合适的静态电流,而且对于交流信号,还可以同时得到很大的等效的集电极电阻Rc。因为晶体管和场效应管等器件是有源器件,我们把它们作负载时的情况就成为有源负载。下图就是给一个共射放大器配上了一个电流源负载:

这是个镜像电流源,基准电流是多少gemfield就不啰嗦了。空载时T1管(最左面的那个)的静态集电极电流ICQ1就约等于上面的那个基准电流。我们还会看到T1管的集电极电流约全部流向了负载,这样相对的电压放大倍数增大了(电流相对大了)。若负载电阻足够大时,相应的电压导致的放大倍数可达千倍这个量级。

总之,利用电流源代替放大电路中的电阻负载,就构成有源负载放大电路。这种放大电路不仅较单级电路电压放大倍数高,还可以改善放大电路的其他性能,这种有源负载放大电路已成为模拟集成电路设计特色之一。

  

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