模拟电子电路4-1

第4章

模拟集成基本单元电路4.2集成电路（IC）中的电流源4.3带恒流源负载的放大电路4.4差动放大器析4.5功率输出级电路器4.1半导体集成电路概述4.6BiCMOS电路4.1半导体集成电路概述返回

第一块集成电路出现于1958年。在使用电子电路的绝大多数场合，IC已经基本上取代了分立元件电路。集成电路按处理信号的类型可分为数字IC和模拟IC。

模拟集成电路因其制造工艺的特殊性，使它在电路设计、元件选取等方面与分立元件电路有所不同。归纳起来，模拟IC工艺大致有以下特点：1．晶体管(BJT)按标准工艺制作，成本低且占用硅片面积小。二极管一般都用BJT的一个PN结担任，不再用专门工艺生产。2．生产电阻的工艺不比生产晶体管的工艺简单，而且电阻值越大，占用硅片面积越大。3．制造数十皮法以上的电容将占用很大的硅片面积，电路中使用电容非常不合算。4．无法集成电感元件。5．集成电路易于生产配对的元件(相对误差1％以下)，但元件的绝对误差较大(绝对误差20％)。4.2恒流源和稳定偏置电路4.2.1BIT参数的温度特性4.2.2BJT恒流源返回4.2.3MOS恒流源BUBEIB·QiBAQ/·4.2.lBIT参数的温度特性休息2休息1返回i

CQICUCEGF·i

CICGF·Q/休息2休息14.2.l

BJT参数的温度特性返回i

CQICUCEGF·i

CICGF·Q/Δi4.2.2BJT恒流源休息2休息1返回（1）BJT的基本恒流原理

恒流源的端口电压U可以在很大范围内变化，但端口电流I却改变很小，其原因是端口的动态电阻—恒流源内阻ro很大，当ro=∞时，就是理想恒流源。ro=Δu/ΔiI+U+Δu

-i=I+Δi=ICQ+ΔiCΔuCEΔiC

如果让BJT偏置在放大区，固定其基极偏流IBQ，

C­-E之间就等效成为一个恒流源iCICQuCEIBQUCEQuiIUΔu1.基本镜像恒流源电路仿真(2)镜像恒流源的电路结构：

用两个配对的NPN型BJT构成基本镜像恒流源(又称为电流镜)。

VT2管的集电极电流IC2就是恒流源的输出电流，可以为集成电路中的各类放大电路提供恒定的偏置电流。

EC

、R和VT1构成镜像恒流源的参考回路，该回路产生的电流IR称为参考电流。参考电流IR受晶体管参数的影响不大，在EC

、R确定的条件下，是一个相对稳定的电流。

虽然VT1的集电结零偏(UCB1=0)，但未进入饱和区，仍然处在放大区1.基本镜像恒流源电路仿真返回休息2休息1（3）电路工作原理分析

在VT1和VT2两管匹配，β1=β2=β、且UBE1=UBE2=UBE

的电路条件下，应满足

IB1=IB2=IB、IC1=IC2=IC

由节点电流可得参考电流IR的表达式为镜像恒流源的输出电流IC2与参考电流IR是镜像关系

当β>>1时，可得1.基本镜像恒流源返回休息2休息1（4）电路性能的讨论①镜像恒流源电路的输出电流IC2与参考电流IR成镜像关系，即IC2≈IR

在集成电路的设计中常采用一个参考电路同时带动多个(例如n个)输出电流的镜像恒流源电路

②由于，表明参考电流IR仅决定于外电路参数与晶体管参数无关，即与温度无关，这样IC2将为放大电路提供稳定的偏置电流。

③IR-IC2=2IB，表明输出电流IC2与参考电流IR存在一定的误差当β较小时，相对误差将加大。

在多输出的情况下基本镜像恒流源输出电流ICn与参考电流IR之间不完全成镜像关系，精度较差。绝对误差为(n+1)IB

，相对误差=(n+1)/β。

1.基本镜像恒流源返回休息2休息1（4）电路性能的讨论

④镜像电流源的输出电阻等于VT2管的输出电阻

输出电阻rce2相对较小，因此在实际应用中输出电流IC2受负载波动的影响较显著。

⑤UCE1=UBE≠UCE2

，因此VT1和VT2工作状态并不对称当考虑到基区宽调效应时，会引起电流误差，即IC1≠IC2。电路仿真2.精密镜像恒流源电路仿真

VT3管，对分流电流IB3的放大作用，从而使误差减小了(1+β)倍，精度提高了(1+β)倍。

2.精密镜像恒流源休息2休息1返回电路仿真由于恒流源电路的参考电流IR≈EC/R是恒定的，所以VT2和VT4的基极电压也是恒定的，意味着VT2和VT4的基极对地交流短路。(3)显然，该恒流源的输出电流IC2的精度并不高，与基本镜像恒流源的相同。但该电路的特点是输出电阻ro很大。

由图可以看出，ib4=0，受控电流源βib4开路，

rbe2

与

rbe4是并联关系，电路可进一步简化3.高输出阻抗串接镜像恒流源电路仿真rce4>>rbe2，所以rce4//rbe2≈rbe2

4.威尔逊（Wilson）恒流源IC1IC2IB2

电路仿真休息2休息1返回4威尔逊电流源（高输出阻抗精密电流源）休息2休息1返回

(2)电路分析：

IR=IC1+IB2

,IB2=IC2/β,IC1=IC3

(UBE1=UBE2=UBE)IC3=IE2-2IB=IE2

-2IC3

/β

电路仿真5.比例恒流源休息2休息1返回电路仿真(3)输出电阻为

继续休息2休息1电路仿真返回6.微恒流源（Widlar恒流源）

可以推算出输出电阻为4.2.3MOS恒流源1.MOS有源电阻（1）增强型MOS有源电阻MOS晶体管在模拟集成电路中常采用的两种特殊接法：栅极与漏极间短路的增强型MOS有源电阻和栅极与源极间短路的耗尽型MOS有源电阻。UGD=0<UGS(th)。根据表2.2可知，这种连接方式的MOS管一定偏置在恒流区(放大区）。

栅极与漏极间短路的增强型NMOS管可以作为一个非线性的有源电阻

由于uds=ugs，所以在电路中从NMOS管的漏极与源极间看入相当于一个非线性的有源电阻，其内阻为（1/gm）//rds

1/gm4.2.3MOS恒流源1.MOS有源电阻（2）耗尽型MOS有源电阻由于uGS=0，当uDS>uGS-UGS(off)=-UGS(off)

时，耗尽型NMOS管将偏置在恒流区

栅极与源极间短路的耗尽型NMOS管也可以作为一个非线性的有源电阻，

由于ugs=0，gmugs=0，所以从NMOS管的漏极与源极间看入相当于一个非线性的有源电阻，其内阻为rds

4.2.3MOS恒流源2.基本MOS恒流源电路（电流镜）VT1

，VT2

，VT3为E型NMOSFET。电路结构与BJT恒流源电路相似，其中参考电流IR的回路由VT3和VT1构成。由于在MOS工艺中制造MOS管占芯片面积要比大阻值的电阻小的多，故电路中用VT3代替电阻R。

VT1、VT3管栅极与漏极间短路，一定工作在恒流区，根据式MOSFET管在恒流区的大信号特性方程如果VT1和VT3管对称，UGS1(th)=UGS3(th)

1.基本恒流源电路（电流镜）仿真3.MOS比例恒流源

仿真仿真4.共源-共栅MOS恒流源

电路是由两个基本MOS恒流源上下串接而成。设所有的晶体管都相等，在忽略沟道调制效应（即λ=0）的条件下，

由于IR为恒定量，所以VT1～TV4各管栅极电压为恒定值，利用MOS管小信号模型，可等效为求解输出电阻的微变等效电路。由输出电阻的定义