第三章模拟集成基本单元电路§3.1集成电路(IC)中的电流源§3.2带电流源(恒流源)的放大电路§3.3差动(差分)放大电路的特性与分析§3.4乙类推挽输出级电路与功率放大器返回§3.1集成电路(IC)中的电流源3.1.1BJT参数的温度特性3.1.2主要镜像电流源返回·iCICGF·Q/iC·QICUCEGF1.βT基区扩散速度复合β015.0cT2.ICBOT少子浓度ICB0ICE0=(1+β)ICB0ICBO(T)=ICBO(T0)10TT02即增加一倍/1003UBET禁带宽度PN结接触电位UBE0BTcmV1.2TUBUBEIB·QiBAQ/·3.1.1BJT参数的温度特性休息2休息1返回4.BJT参数的温度特性对放大器工作点的影响一般有:为了稳定放大电路中工作点Q的稳定性,在集成电路中多采用镜像电流源等电路来实现偏置,能使放大电路的工作不随温度、负载及电源的变化而变化。β输出特性曲线间距拉大QICBOICEO输出特性曲线上移QVBE输入特性曲线左移Q对放大器输入直流负载线外电路元件输出直流负载线T不变休息2休息1·iCICGF·Q/iC·QICUCEGF3.1.1BJT参数的温度特性返回EC3.1.2主要镜像电流源1.基本镜像电流源:(1)电路结构:+UBE—IRIC1IC2IB2IB1A:T1和T2为NPN型对管,要求对称(匹配)即:IS1=IS2=ISβ1=β2=βUBE1=UBE2=UBEIB1=IB2=IB,T1:为参考电路,确定参考电流IRT2:提供稳定的偏置电流IC2即:为放大电路提供稳定的偏置电流IC2电路仿真休息2休息1返回EC因为UBE1=UBE2=UBE,IB1=IB2=IB所以IC1=IC2=ISexpTBEUU又因为2I21II2II111CCBCR2I2IIIRRCC21当β1时:IC2IR而RERUEICBECR二主要镜像电流源1.基本镜像电流源:(2)电路分析:+UBE—IRIC1IC22IBIB2IB1休息2休息1返回EC1基本镜像电流源:(3)讨论ⅰ:IC2IR镜像关系ⅱ:REICR参考电流与晶体管参数无关,稳定ⅲ:另外,IR-IC2=2IB存在误差∴相对误差=2III22CCR∴当β较小时,带动多个输出电流时,(例如n个),绝对误差为(n+1)IB,n个输出电流时的相对误差=(n+1)/β+UBE—IRIC1IC22IBIB2IB1(4)电流源的输出电阻r0=rce2=2CAIU输出电阻等于T2管的输出电阻,相对较小(UA为Early电压,较大)(5)UCE1=UBE≠UCE2T1和T2工作状态不对称roIC4IRIC(n+1)IC3IC2(n+1)IB休息2休息1IC2IC3IC4IC(n+1)返回EC2.精密镜像电流源(1)电路结构:用T3代替了基本电流源电路中的短路线(2)电路分析:同理有:UBE1=UBE2=UBE∴IC1=IC2=ISexpTBEUU121I21I121I1I2I1C21C1C3B1C∴RR1CI121II而,32B1B1c3E1C3B1CR1III1IIIII(其中:β1=β2=β3=β,注意:IC1=IC2)+UBE—IRIC1IC2IB2IB1IE3IB3电路仿真休息2休息1EC返回EC+UBE—IRIC1IC2IB2IB1IE3IB3二主要镜像电流源2.精密镜像电流源(3)讨论:i:R2CIIii:12III2C2CR精度提高了约β倍(4)输出电阻2CAceIUr较小,易受负载波动的影响。(5)ACETBESCEarly2CE2BE3BE1CEUU1UUexpIIUUUU效应∴2C1CII会产生误差ro+UCE1-UBE3UBE2休息2休息1返回EC二主要镜像电流源3.高输出阻抗串接镜像电流源(1)电路结构:由两个基本电流源电路串接而成。(2)电路分析:RU2EIBECR2II2IIRBRC2(3)r0忽略rμ2:r0≈β2rce2考虑rμ2:r0≈0.5β2rce2由于T4动态电阻rce4引入了强电流负反馈使输出电阻ro增加β倍,抗负载波动的能力强。IC1IRIC22IBroUBE1UBE3电路仿真休息2休息1返回EC4威尔逊电流源(高输出阻抗精密电流源)二主要镜像电流源(1)电路结构:T3管引入了闭环电流负反馈RUUEI32BEBECR(不随负载变化)当负载变化→IC2↑→IB2↑→IC1=(IR-IB2)↓→IC3↓→IE2↓→IC2↓以上为自动反馈的调节过程。IC1IC2IB2IC3IE2IC2+UBE_IRIB2IC1IC3IE22IBIC2IE1电路仿真休息2休息1返回EC4威尔逊电流源(高输出阻抗精密电流源)二主要镜像电流源(2)电路分析:IR=IC1+IB2,IB2=IC2/β,IC1=IC3(UBE1=UBE2=UBE)IC3=IE2-2IB=IE2-2IC3/β2C2E2E3CI1II2I2C3CI21I22IIII221I222II1I21I22C2CR2C22C222C2C2CR相对误差(3)输出电阻r0≈0.5β2rce2+UBE_IRIB2IC1IC3IE22IBIC2IE1休息2休息1返回EC三对电源电压变化不敏感的偏置电流源1.比例电流源UBIRIC2IE2(1)电路结构:在T1和T2发射极接有串联电阻R1和R2(2)电路分析:UB1=UB2=UB2C2ER1E22E2BE11E1BEIIIIRIURIU11BE2BE2C12RRVVIRRI又T1BES1CUUexpIIS1CT1BEIIlnUUT2BES2CUUexpIIS2CT2BEIIlnUU1C2C1T2C12RIIlnRUIRRI一般:2C12RIRRI可根据R1和R2的比例,来调节电流源输出电流IC2的大小(3)输出电阻:222CA2bb1220IURrrRR1r电路仿真休息2休息1IE1IC1返回EC2微电流源(Widlar电流源)在基本型电流源中,若要求很小的输出电流,(例如10μA)则电阻R的值势必很大(例如几MΩ)这样大的电阻在集成电路中是难以造成的。(1)电路结构:R1=0,R2≠0,R2引入了电流负反馈。(2)电路分析:利用上式结果,当R1=0时,22CR2TCIIlnRUI一般设计中:根据输出的电流IC2和已知电流REIcR,决定发射极电阻:22CRCT2IIlnIUR继续(3)输出电阻:22ce2220rRrR1r休息2休息1电路仿真IC2IR返回§3.2带电流源(恒流源)的放大电路3.2.1有源负载共射放大电路的分析3.2.2有源负载共集电极电路(射随器)返回ECui3.2.1有源负载共射放大电路的分析、1电路结构:T1为共发射极放大器T2,T3为PNP型基本镜象电流源电路作为T1的集电极负载,代替RC的作用。可以看出T2的输出特性曲线就是T1的负载线。放大器应工作在负载线上,(1)当ui=0时,T1截至,iC1=0,而T2饱合uO=uCE1=Ec-|UCE2(sat)|(2)当ui↑→iB1→uBE1↑→uCE1↓T1和T2工作在放大区。ic1=-ic2ic2UCE2(sat)uCE2uCE1·②·③·①·④·①·②·③·④UCE2(sat)uOui2空载大信号特性:+uo-EC+uCE2-ic1ECui返回Ru1gmu2gmrce1rb‘e1⚀+u1-rbb‘1rbb‘2rb‘e2⚀+u2-rce2rbe3+uo_+ui_+u1-rb‘e1⚀u1gmrce1rbb‘1rce2ECui+uo-EC+uCE2-ic1二有源负载共射放大电路的分析3小信号等效电路Ri=rbb’1+rπ1,Ro=rce1//rce2Av=-β(rce1//rce2)/hie有载时:Av=-β(rce1//RL’)/hieRL’=rce2//RL+ui_+uo_RiRorbe3Rrbb‘2+u2-rb‘e2⚀u2gmrce2返回usRsRbReRLECC1C2+ui-UBE+uo-R1uiRRLR2uoECUBE-Ee3.2.2有源负载共集电极电路2传输特性(1)当ui=UBE1时,使iE1=iC2=IQ∴io=0,uo=0确定Q点(2)当ui=0时,uo=-UBE1,确定D点所以传输特性:经过Q,D两点的一条直线,斜率接近1。1.电路结构T1为共集电极放大器T2,T3为NPN型基本比例电流源电路作为T1的发射极负载,代替Re的作用。·Q·D电路仿真休息1休息2R1RR2ouiu返回R1RRLR2ECUBE-Ee(1):ui的正向界限:当ui↑→ic1=ie1在IQ(IQ=Ic2)的基础上↑→io↑→uo=ioRL↑→uCE1↓当ui↑↑→T1饱合→uCE1=UCE1(sat)∴uomax=Ec-UCE1(sat)uimax=Ec-UCE1(sat)+UBE13.2.2有源负载共集电极电路)sat(CEccmaxoUEu)sat(CEeminoUEuiv+uCE1-(2):ui的负向界限:ui↓→ic2=IQ不变→iC1↓→|-i0|↑→uCE1↑→T1截至uCE2↓→T2饱合∴uomin≈-Ee+UCE2(sat)3传输特性方程:1SL0QTi1BEioIRuIlnUuUuuic1ic2io+uo-+ui-休息1休息2·Q·Douiu返回§3.3差动(差分)放大电路的特性与分析:3.3.1差放的偏置,输入和输出信号及连接方式3.3.2共射差放理想对称时的大信号特性3.3.3基本共射差放理想对称时的微变等效分析3.3.4有源负载共射差放返回EC-Eeui1ui23.3.1差放的偏置,输入和输出信号及连接方式差动放大器是IC中应用广泛的核心单元电路(1)电路结构iT1和T2为差分对管(对称)组成对称电路,即:RC1=RC2=RC,Rb1=Rb2=Rbβ1=β2=β,hie1=hie2=hieiiRee为发射极共用的负反馈偏置电阻作用:稳定静态工作点2C1CBEBBEE2E1EEE2E2C1E1CIIIUUUUIIIIIIIT对共模输入有强负反馈作用IEE↑IE1↑IB1↓IC1↑UEUBE1UBE2IC1↑IC1↑↓IC1IB2↓IE2↑休息1休息2返回EC-Eeui1ui2iii双电源供电EC和-Eeiv两个输入端ui1和ui2两个输出端uo1和uo2ⅴ差分放大器具有四种不同的工作状态:双端输入,双端输出单端输入,双端输出双端输入,单端输出单端输入,单端输出ⅵ信号的输入方式:差模输入:输入信号ui1和ui2大小相等,极性相反共模输入:输入信号ui1和ui2大小相等,极性相同1ou2ou电路仿真休息1休息23.3.1差放的偏置,输入和输出信号及连接方式返回EC-Ee-Eeui1ui2EC(2)静态工作点的计算由于电路对称:IC1=IC2=ICIE1=IE2=IEIB1=IB2=IB故只需讨论T1的静态工作点。由于Ree上流过的电流为什么2IE,故等效到T1射极的电阻为2Ree计算静态工作点时,ui1=ui2=0则有:IBRb+UBE+2ReeIE=Ee而IB=IE/(1+β)所以有:eeBEebeeBEeEECRUE211RR2UEIII休息1休息2IC2IC1IE1IE22IE3.3.1差放的偏置,