第四章第五节电流源电路及其应用

1、第五节第五节 电流源电路及其应用电流源电路及其应用 电流源电路是提供恒定电流的一类电子线路，它广泛应用于各种功能电路中。对电流源电路的要求：1、提供电流 IO ，并且其值在外界环境因素（温度、电源电压等）变化时，力求维持稳定不变。2、当其两端电压变化时，应该具有保持电流 IO 恒定不变的恒流特性，或者说电流源电路的交流内阻 RO趋于无穷。一、镜像电流源电路1、基本镜像电流源电路：如图所示电路结构：T1 与 T2 应该选取参数完全匹配的晶体三极管。T1T2VCCiC2= IOiC1IRR其中，T1 的集电极和基极相连，接成二极管的形式，并且由VCC 通过R 提供电流 IR 。分析：（1）、精度和

2、热稳定性根据电路有：21BEBEvv当忽略基区调制效率应时：TBESCVveIi或表示为SCTBEIiVvln所以上式可等效为2211SCSCIiIi1122CSSCiIIiT1T2VCCiC2= IOiC1IRR由于OCIi2而 IS 与发射结面积成正比，因此有1122CEEOCiSSIi当12EESS时则OCCIii12由此式可以看出T1管的电流I1 等值得转移到 T2 管中。当12EESS时， T1 管电流 I1 则加权地转移到 T2 管中，加权因子为发射结面积比值。根据电路还可知：RVVIonBECCR)(T1T2VCCiC2= IOiC1IR211BBCRiiiI若T1 与 T2 的

3、参数完全匹配， 当、12EESS时：212121CCBBiiii已知21CCOiiI所以2122BOBORiIiII2122BOBORiIiII2122COCOiIiIOOII2故ROII211RI2)2(121)21 (RI 显然，IR 是由 VCC 通过 R 提供的，它是电流源电路的参考电流，只要 IR 确定后，IO 也就被确定。)21(ROII 从此式可以看出：它们之间不是严格满足镜像关系，而是由有限的值产生误差，这个误差随值的增大而减小。 同时IR 又与VBE(on) 有关，而值和VBE(on) 又是温度敏感的参数，因而造成 IO 的热稳定性下降。只有当2)(、onBECCVV时ROI

4、IRVICCR才能忽略温度以及离散性的影响。 在高精度电流源中还必须考虑基区宽度调制效应的影响，当计入基区宽度调制效应时：)1 (ACETBESCVvVveIi)1()1(222111ACESCACESCVvIiVvIi111222)()(CCEASCEASCivVIvVIi11122)()(CCEAECEAEivVSvVS当12EESS时， 已知)(1onBECEQVVRonBEACEQACEECOIVVVViSSiI)(21 ()(21122 可见计入基区调制效应后，进一步降低了IO 的精度和热稳定性。通常AonBEVV)(若满足ACEQVV2则可忽略基区调制效应的影响。（2）、恒流特性：

5、为了保持恒流特性，应该增大 RO 。根据电路得：2ceOrRRrerbegmvberce2T1T2VCCiC2= IOiC1IRR2、减小、减小值影响的镜像电流源电路值影响的镜像电流源电路如图所示 与前面介绍的电流源不同的是，用T3 管代替 T1 管的集电极与基极的短路线。 此电路是利用T3 管的电流放大作用，以减小 iB1、iB2 对IR 的分流，使 iC1 更接近 IR ，从而有效的减小了IR 转换为iC2 过程中由于有限的值引入的误差。T1T2VCCiC2= IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3R根据电路有13CBRiiI133EBii因为213BBEiii321若21BBBiii

6、21CCOiiI故BBBEiiii222213则注意：此时电路中的 iE3 不能过大，否则会引起 iB1、iB2 过大，导致饱和失真。T1T2VCCiC2= IOiC1IRT3iE3iB1iB2iB3R1112CCiiOOII)1 (2OI ) 1)1 (2(所以)1)1 (21(ROIIRRII222131CERiiI1112CBii 在实际的电路中，为了避免T3 管因工作电流过小，而引起值的减小，并且又不能增大iB3 ，一般都在T3 管的发射极上接一个适当的电阻RE ，则 iE3 的电流为：EonBEERVi)(3使 iE3 适当的增大。T1T2VCCiC2= IOiC1IRT3iE3iB

7、1iB2iB3RE3R3、比例式镜像电流源、比例式镜像电流源 在实际应用中，经常需要 IO 与 IR 成特定比例关系的镜像电流源电路。 实现这种比例关系的电路可以从两方面着手：（2）、在两管的发射极上串接不同阻值的电阻。（1）、改变两管的发射结面积，前面介绍过时的情况。12EESST1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2如图所示根据电路有222111RivRivEBEEBE设SSSIII21并忽略基调效应。则有112221RiRivvEEBEBE因为221121lnlnSCTSCTBEBEIiVIiVvv21lnCCTiiV1122RiRiEE故112221lnRiRiii

8、VEECCTT1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2当值足够大时，OCEIii2211CEii所以1121lnRiRIIiVCOOCTOCTCOIiRViRRI12121ln若 iC1 对 IO 的比值不太大时，例如、101OCIi3 .2ln1OCIi则mVmVIiVOCT8 .593 . 226ln1T1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2并且满足时OCTCIiVRi111ln121COiRRI当值足够大时，RCIi1所以ROIRRI21则有RRVVIonBECCR1)(T1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2ROIRRI21 由

9、此式可知：只要改变两个电阻的比值，就可得到 IO 对IR 的不同比例关系，为了保证 IO 的精度，除了增大值外，还应该限制 IR 对 IO 的比值，应该满足：OCTCIiVRi111lnORTRIIVRIln1或的条件。 对 T2 管来说，接入R2 后，还可以增大输出的交流电阻RO ，可以改进恒流特性。画交流通路T1T2ivRR2R1iE1iE2画交流等效电路Rrerbegmvberce2R1R2ivT1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2R1iE1iE2图中，T1 接成二极管，它呈现的交流电阻为re1，由图可见221)(ceeebmrvvvgi其中，RRRRrRRrRivrRrRRive

10、ssebeebsebeb/)()/(1112222222经整理求得sebcesebsebceoRrRRrRrRRrRRrivR222222221)/(1(4-5-12)显然，T2管发射极上接电阻R2后，Ro将远大于基本镜像电流源电路的输出交流电阻，表明它具有更优良的恒流特性。4、微电流源电路、微电流源电路微电流源电路：能够提供微安量级电流的电流源电路。 在前面所介绍的三种电流源电路，很难满足输出微安量级的电流，既是能够满足，则需要R 或 R2 的电阻值很大，这又不符合集成工艺。T1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2iE2通过对比例电路分析可知OCTCOIiRViRRI12121ln若令：

11、R1 =0 则OCTOIiRVI12lnORTIIRVln2例如、（1）、要求 IO =20A 时，若取 IR/IO =10 ，即 IR=0.2mA。试计算 R 、R2 。根据电路RVVIonBECCR)(所以RonBECCIVVR)(KmAVV5.412.07.09+9VT1T2VCCiC2= IOiC1IRRR2iE2ORTOIIRVIln2已知所以OROTIIIVRln2KmAmV99. 210ln02. 026（2）、（1）、要求 IO =20A 时，若取 IR/IO =100 ，即 IR=2mA。试计算 R 、R2 。根据电路RVVIonBECCR)(所以RonBECCIVVR)(K

12、mAVV15. 427 . 09所以OROTIIIVRln2KmAmV98. 5100ln02. 026 经过比较可知：lnx 随着x 的增大变化的十分缓慢，因此，尽管 IR/IO 很大，R 和 R2 都不很大。5、MOS管镜像电流源电路管镜像电流源电路（1）、基本镜像电流源电路T1T2VSSIRIOID1ID2如图所示 要求 T1 与 T2 管的性能参数匹配，并且工作在饱和区。根据电路可知：21GSGSVV因为2)(1111)(2thGSGSonDVVlWCi2)(2222)(2thGSGSonDVVlWCi所以T1T2VSSIRIOID1ID21122)/()/(DDilWlWi已知ODI

13、i2当 时：21)/()/(lWlWRDIi112DDii即ROII 在MOS集成电路中，为了节省芯片面积，改进电路性能，电阻几乎都用MOS管有源电阻取代。如图所示根据电路有：211GSGSDSVVV33GSDSVVT1T2VSSIRIOID1ID2T3VDD13DSDSDDVVV13DDRiiI2)(133)()(2thGSGSDDonDVVVlWCi1DOiI2)(111)()(2thGSGSonDVVlWCi所以2)(12)(113)()()/()/(thGSGSDDthGSGSVVVVVlWlW2)(1)(1)(thGSGSDDthGSGSVVVVV2)(111)()(2thGSGSo

14、nDRVVlWCiI由 IR 来确定 VGS1 ，再由 VGS1 确定两管所需的宽长比值。（2）、动态电流镜）、动态电流镜如图所示T1T2IRIOID1ID2SCgs 若在MOS管镜像电流源电路中接入开关 S ，设、S 闭合时，T2 管的输出电流为 IO ，产生IO 所需的栅源电压 为VGS2 ，这个电压储存 在栅源极之间的电容Cgs上，则当 S断开时，由于MOS管的栅极电流几乎为零，而Cgm 又无放电回路，因此，其上的电压几乎不变，结果是 T2 管的输出电流继续维持在 IO 上。 这种电流存储效应，显然是MOS管镜像电流源电路所特有的性能。电路还可以改进为如图所示的电路：S1S3S2TIII

15、O=IICgs结构由一只MOS管T 和三只开关S1 、S2 、S3 组成。工作原理 当 S1 与 S2 闭合时， S3 断开，此时T 管作为电流源的参考支路，其栅极和漏极连在一起，并接到输入电流 II 上，这时栅极电容 Cgs 充电，直到 II = IO 时，所需要的栅源电压，而后断开S1 、S2 ，闭合S3 ，T管便作为电流源的输出管，这时通过S3 的输出电流为IO=II 。（3）、开关电流电路）、开关电流电路 利用电流存储效应，还可以组成另一大类电路，称为开关电流电路。vs1t0vs2t0 I 为偏置电流，ii 为输入信号电流，开关S1 和 S2 由不重叠的反相时钟控制。当S1 闭合，S2

16、 断开时，T2 管中储存的电流为 ：iiI iiI T1IT4T3T2IS2S1iiioVDD 当 S1 断开 ，S2闭合时，T2 管中的电流通过T3 管传送到T4 管输出，显然这个输出电流 io 就是前一个时钟周期储存在 T2 管中的输入电流 ii 。即ioii T1IT4T3T2IS2S1iiioVDDiiI 二、其它改进型电流源电路二、其它改进型电流源电路 由前面讨论可知：对于各种改进型电流源电路都要针对下述目标而进行。（1）、减小由值和 VA （或 ）而引入的误差。（2）、提高 IO 的精度，增大 RO ，改进电流源的恒流特性。1、级联型电流源电路：将两个基本镜像电流源电路相级联，而构

17、成的电路。如图所示T3T4VCCiC4= IOiC3IRRiC2= iC4T1T2iC1根据电路可得：2413CEBEBEBEvvvv若足够的大，则可近似认为31CCii42CCii由于 T1 与 T2 构成镜像电流原则有21CCii相应的有13BEBEvv42BEBEvv12BEBEvv所以1432BEBEBECEvvvv113CEBEBEvvv 此式表明，不论外电路加在电流源上的电压如和变化，级联电路总是强制地保持 T2 管的 vCE2 接近于 T1 管的 vCE1 。 这样不仅减小了iC1 转移到 iC2 时，因基区调制效应引入的误差，还使 IO （其值取决于 iC2)几乎于外加电压的变

18、化无关，因此，该电路既提高 IO 的精度，又改进了电流源的恒流特性，即增大了 RO 。T3T4VCCiC4= IOiC3IRRiC2= iC4T1T2iC1 不过这个电路并没有减小，因值为有限制而引入的误差。证明、当各管值相同时，IO 与 IR 之间的关系。根据电路有433BBCRiiiI因为11332BCECiiii111)2(2CCCiii所以4121)2()2(CCCRiiiIT3T4VCCiC4= IOiC3IRRiC2= iC4T1T2iC14121)2()2(CCCRiiiIOOOIII1)2()2(2ORII2)2(2ROII2422RI411)41 (RI2、反馈型电流源电路、

19、反馈型电流源电路T3VCCiC3= IOiB3IRRiC2= iC3T1T2iC1 利用反馈改进性能的电流源电路，如图所示。分析： 当外电路变化时，则会引起 IO 的变化，设 IO 增大，已知：21CCOiiI相应增大。其结果使加到 T3 管的基极电流为：13CRBiIiiB3 减小 从而阻止 iC3 的变化，因而，也就阻止 IO 的变化。使 IO 的恒流特性得以改进。根据电路可以看出：由三个晶体管构成的回路中有231BEBECEvvv22BECEvv表明、T3 管强制 T1 管的 vCE1 靠近T2 管的 vCE2 两者仅相差 vBE3 。因此，有效的减小了由基区宽度调制效应而引入的误差。讨

20、论 IO 与 IR 之间的关系：根据电路有321设、31BCRiiIT3VCCiC3= IOiB3IRRiC2= iC3T1T2iC1因为21BBii21CCii又因为2123BBCEiiii122BCii112BCii112CCii)21 (1Ci所以312ECiiT3VCCiC3= IOiB3IRRiC2= iC3T1T2iC1所以31BCRiiI332BEii333)(2BBCiii33311)2(2CCCiii3)1212(Ci故3)1212(CRiI322)222(CRiIOI )222(22ROII22222RIRVVIonBECCR)(2在实践上，还可以进一步减小这种误差，电路如

21、图所示：T3T4VCCiC3= IOiC4IRRiC2= iC3T1T2iC1若 IOiC3（iE3 ）iC2iC1iE4iC42iB3iC3 IO这就是反馈作用21CCii根据电路可知441CECiii233CECOiiiI432CRBiIiT3T4VCCiC3= IOiC4IRRiC2= iC3T1T2iC12314CEBECEBEvvvv2314BEBEBEBEvvvv22CEBEvv所以21CECEvv强制 T1 与 T2 管的 vCE 近似相等，消除基区调制效应的影响。自己讨论 ：IO 与 IR 之间的关系。三、有源负载差分放大器三、有源负载差分放大器电路如图所示T1 vi1 T13

22、T4T2 RVCCIRIEEvi2T5VEE 电路中、T1 、T2 、T3 管构成两路镜像电流源，即电流源 T2 与电流源 T3 。 它们分别取代了原差分放大器中的RC ，它们的统一电流由参考电流 IR 设定。 这种电路中差分对管的静态电流由有源负载设定，又要由恒流偏置设定，因此，很难做到一致。iC1T1 vi1 T2T3VCCIEEvi2T4VEEiC4iC2iC3iO经常采用的电路如图所示 根据电路可知，T1 和 T2 管组成镜像电流源，T3 与T4管组成差分放大器，电路的输出端为 T4 管的集电极，即为单端输出。分析：在差模的输入信号电压的作用下T3 与T4管分别输出极性相反，数值相等的增量电流即iIiCQC3iIiCQC4 当 iC3 通过T1 管时，它将被等值得转移到 T2 管上。iC1T1 vi1 T2T3VCCIEEvi2T4VEEiC4iC2iC3iOT4 管的集电极输出电流为：42CCOiii41CCii43CCiii 2其值恰好等于双端输出时的差模增量电流。可以看出此电路还具有将双端输出转换为单端输出的功能。 在共模输入信号电压的作用下， T3 与T4管分别输出极性相同，数值相等的增量电流。即iIiCQC3iIiCQC4042CCOiii进一步分析差模性能： 设两边的电路不对