北京交通大学模拟电子技术

双极型模拟集成电路电流模电路功率输出级电路集成运算放大电路电流模电路概述镜像电流源概述电流模电路以电流作为参量来处理模拟信号的电路电流模技术以电流作为参量来分析、设计电路的一种方法。1.电流源电路是一个电流负反馈电路，并利用PN结的温度特性，对电流源电路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。2.电流源电路用于模拟集成放大器中以稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。3.用电流源做有源负载，可获得增益高、动态范围大的特性4.在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源、跨导线性电路等。镜像电流源电路T1T2RIrIoEc基本恒流源Ib1Ic1Ib2Ic2由于两管特性相同，基射相同由电路可得：若>>1即从工作管输出的电流近似恒定的，电路是一恒流源电路。在集成电路中基本恒流源由双集电极横向PNP管组成。有两个集电极且面积相等RIrIb1Ic1Ic2Ec工作三极管的集电极电流是电流源电路的镜象(电流相等）

在镜象电流源电路的基础上，增加两个发射极电阻，使两个发射极电阻中的电流成一定的比例关系，即可构成比例电流源。因两三极管基极对地电位相等，于是有:镜像电流源比例电流源Io在集成电路中，常用改变T1、T2的发射极面积之比来实现比例电流源的。不需另外制作电阻。Se1、Se2分别为T1、T2管发射极的面积。镜像电流源微电流源通过接入R2电阻得到一个比基准电流小许多倍的微电流源（A级），适用微功耗的集成电路中。IoUbe1=Ube2+Ie2ReIe2Re=Ube1-U

be2Io≈Ie2=(Ube1-U

be2)/R2=Ube/R2由PN结电流方程可知：Ube1=UTln(Ie1/Ies1)Ube2=UTln(Ie2/Ies2)ln(Ir/Io)=IoR2/UT一般Ies1=Ies2由Ir=(Ec-Ube1)/R,而Io=Ube/R2,所以Io<<Ir且Io比Ir的稳定性要好。镜像电流源威尔逊电流源传输精度高Ir=Ic1+Ib3=Ic1+Ic3/3Ic1=Ic2三只管子的特性一致即值相同基本电流源镜像电流源多路恒流源通过一个基准电流源稳定多个三极管的工作点电流，即可构成多路电流源，一个基准电流Ir可获得多个恒定电流Io1、Io2。功率输出级概述甲类功率输出级乙类功率输出级甲乙类功率输出级概述功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。为了获得大的输出功率，必须使

输出信号电压大；

输出信号电流大；

放大电路的输出电阻与负载匹配。电压放大器与功率放大器的区别：1.任务不同：电压放大—不失真地提高输入信号的幅度，以驱动后面的功率放大级，通常工作在小信号状态。功率放大—信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，通常工作在大信号状态。2.分析方法：电压放大—采用微变等效电路法和图解法功率放大—图解法概述实例—典型的收音机电路变频低放中放功放Ic=0.5mAIc=2mAIc=20mAEc=6VPo=30mW电源供给的功率：PDC=EcIc=120mW转换效率：电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电路中的工作管必须加散热片。概述功率放大电路中的一些特殊问题1.要求尽可能大的输出功率。管子工作在极限的工作状态。2.效率=负载得到的有用信号功率Po电源供给的直流功率PDC3.非线性失真要小。在大信号状态工作必然引起失真的问题，这就存在增大输出功率和失真严重的矛盾，这就要求在电路结构上进行改进，尽可能大的提高输出功率，减小非线性失真。4.半导体三极管散热的问题常见功放的静态工作状态甲类乙类甲乙类甲类功率输出级T1—射极跟随输出。T2—恒流源偏置电路，提供一个固定的偏流，有源负载。

双电源供电使静态工作时Uo=0。静态：1.由恒流源提供一个稳定的ICQ。2.IBQ=ICQ/3.UCEQ=Ec射极跟随甲类输出级的结构T1IcQT2Ec-EcUiRLUoR1D1R3IoR2甲类功率输出级射极跟随甲类输出级的工作原理设输入Ui为一正弦信号当Ui>0时，T1导通，输出电压Uo的最大峰值为：Uom=Ec-Uces1≈Ec输出电压的有效值为：T1IcQT2Ec-EcUiRLUoR1D1R3IoR2当Ui<0时，T1截止，输出电压Uo的最大峰值为：Uom=-Ec+Uces2+IcQR2≈-Ec输出电压的有效值为：Uces1(2Ec-Uces2-IcQR2)甲类功率输出级射极跟随甲类输出级的工作原理输出功率Po:直流电源提供的功率PDC:转换效率：（最高）效率低原因：静态电流造成的管耗较大，如果将Q下移，使信号等于零时，电源的输出等于零或很小，信号增大时，电源供给的功率增大，这样便可解决效率低的问题。集电极最大功耗：乙类功率输出级电路组成由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。电路工作原理当Ui=0即静态时，Uo=0。当Ui处于正半周时，T1导通，T2截止,流过RL的电流为ie1。ie1ie2当Ui处于负半周时，T1截止，T2导通,流过RL的电流为ie2。由于管子的对称性，ie1=ie2，在负载上获得完整的正弦波形。乙类功率输出级电路工作原理当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电。有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。

当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电。有电流通过负载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。ie1ie2ic1uBEIcm1Qic2uBEIcm2QQQ乙类功黎率输出才级功率分角析1.姜交流输跑出功率Po输入信亏号处于辽正半周享时，输钩出电压售的峰值Uom=Ec-Uces1≈Ec输入信号堂处于负半尝周时，输转出电压的祥峰值Uom=-Ec-Uces级2≈-Ec2.电郊源提供的畜直流功率PDC每管工作对半周的平顺均电流为含：乙类功芬率输出串级功率分林析2.管电源提块供的直章流功率PDC3.效齐率4.料集电极泼的最大规功耗Pcmax可推得：甲类功放乙类功樱放例：Po=1W甲类：Pcma黎x=4W么→大功率采管→必须加滥散热片→体积剃增大乙类：Pcmax=0.2黄W—中功童率管0.1W以下—小博功率管乙类功绵率输出遭级存在问题当输入信捞号Ui在0~Ube之间变化屑时，不足萌以克服死枯区电压，德三极管不屡导通电。豪因此在正合、负半周趁交替过零警处会出现爹一些非线性怪失真，这个失鸡真称为交越失真。集成运故算放大竿器集成运赚放组成集成运邀放的主乞要参数集成运放现的组成集成运似算放大侦器是一臭个高增督益直接虫耦合多睛级放大挥电路。差动放鼓大输入级U-U+中间放传大级互补输出虑级恒流偏允置电路差动输抢入级有豪两个输健入U+、U-，当信号耻从U-输入，输阅出Uo与U-极性相答反，称U-反相输桐入端；当信号夸从U+输入，奴输出Uo与U+极性相同于，称U+同相输萝入端。增益级一般高队增益共乔射电路低阻功率归输出级，提高负载临能力。提供稳定江合适的偏括流一般由恒裂流源组成Uo集成运缘瑞放的主贞要参数大体可拆分为三咳大类：欧传输参筋数、误姿差参数戚和响应战参数传输参场数1.差模电压冻增益Aud运放在无论外加反馈描条件下，筛输出电压Uo与输入植电压Uid的变化量剂之比。即Aud=Uo/Uid.-UidIid+I+Uori2.输宣入电阻Rid运放两个车差分输入则端之间的矮等效动态辱电阻称差租模输入电仗阻或称输收入电阻。Rid=Uid/Iid3.输寺出电阻Ro运放开环放工作时的输出端对培地的电阻称输出绞电阻。主要参数传输参伙数4.共畜模输入轿电阻Ric运放每个奸输入端对友地之间的送等效动态状电阻。5.共模胆抑制比C股MRRCMRR庄=∣AUd/AUc∣6.频带助宽度（-木3dB带洗宽）运放开环奸增益下降有到直流增泰益的0.烤707倍休时所对应风的截止频幕率，用f0表示，也烂可用频带派宽度来表肯示称-3县dB带宽袜，用BW碎或F3dB表示。7.差模能输入电压杂范围Udm运放输替入端之煤间能承谎受的最弃大差模纤输入电柳压。8.共模睡输入电压享范围Ucm超过此秘电压，号CMR配R将下弓降，甚崖至使放很大器不听能正常云工作主要参贞数失调误识差参数1.输入失谁调电压Uos由运放差容放管Ube不相等引旋起的，定惨义为：Uos=Ube1-Ube2。2.输换入偏置电掠流Ib流入到两驼输入端的单静态基极识电流的平域均值。3.输入刷失调电流Ios:—由两管值不同引肺起的4.输历入失调电忍压的温度请漂移dUos/dt指输入失镇调电压随悉温度变化怎的平均变秤化率。5.紧输入失咐调电流切的温度肾漂移dIos/dt指输入莫失调电嫂流随温姑度变化冠的平均艇变化率崖。主要参慌数输出响应清参数1.笔额定输愿出电压UoM在标称电佛源电压和忌额定电流币输出情况肤下，为保哄证输出不窑出现明显秩失真，运帽放可提供飘的最大输谁出电压。2.额虾定输出电山流IoM在UoM作用下疲，运放幻玉可提供小的最大村输出电葡流。3.剪转换速革率SR烘(又称失摆率）指运放在啦额定输出肺电压时，延输出电压缘瑞的最大变傅化速率。SR=UP-P/tUP-P—输出电循压的峰—检峰值。+-UiUoUiUot1t2SR1=UP-P/t1—上升摆鹿率SR2=UP-P/t2—下降手摆率SR值越极大，频率特词性越好MOS模以拟集成电通路MOS模踢拟集成单引元电路MOS集村成运算放检大器MOS乒模拟集匪成单元额电路MOS电马流源MOS拉有源负违载MOS市单级放视大器N1N2MOS叨电流源MOS电流镜UDD由两个几沉何尺寸相悄同的MO拒S管组成IRIoIGId1基准管输出管N1管的漏电诊流:N2管的漏艇电流:∵IG=0∴Id1=IRId2=IOIO=IRN1N2UDDIRIoIGId1MOS贷电流源MOS电流镜N1--基准消管固定基数准电流IRN2--输专出管输出电盐流IOIO=IR理想电流淘源:内阻Ri=∞而N2的输出唱电阻rds2为有限备值该电流敌源不是馒理想电顽流源其输出杀电流只嫌是一个史近似恒引定值，栗即存在箩一个误灾差项,误差越小擦，电流源活越接近理犁想电流源包。误差项MOS掠电流源威尔逊电流源N2N3N1IoIRUOro减小误坑差项,击提高精歪度即误差靠大为减岩小MOS庆电流源几何比电流源N1NRIRI01N2I02NR、N1、N2的几何尺旁寸不同设三个管瓣子的沟长谅比分别为戴：SNR，SN1，SN2仿前面电慎流镜推导幼，可得：由于输出巨电流与管偷子的几何企尺寸成比港例，改变分沟长比，究可得到与IR成任何抄比例关令系的电僚流源。由式可看侵出：MOS管有源酒负载有源负载躁：用于代传替高阻纪值电阻踢的电流猎源常用的誉有源负筒载：单管增笋强型单管耗为尽型电流镜俭电路注：在大规模滋电路中，伞衬底一般匠不与源极弦相接，因锡此必须考被虑衬底对缠电路的影皮响，即所庭谓的衬稠柏效应衬底的捞跨导：管子的跨漏导：跨导比：处理方法令：画交流等役效电路时历，衬底B敬接交流地GDSB单管增弱强型有紧源负载MOS管有源译负载UDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbs由图可知号：rO=UOIO=UOgdsUO+gmUgsgmbUbs+而Ugs=Ubs=UOrO=1gds+gmgmb+IO用D与S披间的动态利电阻代替大电爸阻画交流脂通路DG纪B均挎接交流介地减小gmb单管增强得型有源负猪载MOS管有源负量载GDSBUDDUOroGDBSUOrogdsgmUgsgmbUbsIOrO=1gds+gmgmb+rO≈1gmgmb+1gm)(1队+=gmb=gmgdsgm和gmb<<适量减小gmro增大单管耗滑尽型有点源负载MOS管有源野负载GDSBUDDUOroDBGSUOrogdsgmbUbsIO耗尽型胜：Ugs=0ID=Idss做有源负朴载时G与S短特接用D与S盛间的动态随电阻代替大舌电阻画交流叔通路DB摔均接交叶流地G与S相接由图可缸知：rO=UOIO=UOgdsUO+gmbUbs而Ubs=UOrO=1gdsgmb+单管耗怕尽型有倚源负载MOS管有源胡负载GDSBUDDUOroDBGSUOrogdsgmbUbsIOrO=1gdsgmb+如gds<<gmbrO=1gmb耗尽型齿MOS岸管有源环负载的耀电阻比斗增强型核的要高gmb<gmN2N3N1IoIRUOro威尔逊电流源有源负载MOS管有源怠负载N3为N2的有源可负载管荐，相当艘于N2的源极串返联了一个伐电流负反旅馈元件，特以稳定输丛出电流，琴使ro增高。D1G2S1S3gds1gm1Ugs1gm2Ugs2Ugs2Ugs3UoUds2IoG1G3S2D3Uds31/gds3rds21/gm3威尔逊电流源有源负区载MOS管有源挨负载IoD1G2S1S3gds1gm1Ugs1gm2Ugs2Ugs2Ugs3UoUds2G1G3S2D3Uds31/gds3rds21/gm3Uds1由图可列视出方程Uds1=-gmUgs1rds1rO=UOIOUo=Uds2+Uds3Ugs2=Uds1-Uds3Uds3=Ugs3=Ugs1=Iogm3+gds3Uds1=-gmUgs1rds1Uo=Uds2+Uds3Ugs2=Uds1-Uds3Uds3=Ugs3=Ugs1=Iogm3+gds3威尔逊电流源有源负载MOS管有源鬼负载gm>>gmb>>gdsgm1=gm2=gm3rdsgm>>11/gm较小ro≈gm1rds1rds2=AU1rds2AU1>>1威尔逊电流源做有源负载你可得到高葡阻抗常用的电路形式MOS单极放大猪器E/E鹿型NM摊OS单的极放大迫器E/D扬型NM却OS单扯极放大率器CMOS度单极放大州器推挽式竭CMO脂S单极如放大器MOS单极放大拖器E/E型受NMOS伏单极放大鸽器N2N1UDDUO+-Ui+-gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1RL2放大管及丛有源负载害均为增强型株NMO着S管E/E型集便由此得赛名电压增益MOS单极放跃大器E/E型碍NMOS台单极放大寺器通常rds1>>RL2当两管K’、ID相等时其中MOS单极放孤大器E/E型长NMOS葵单极放大踢器Sn1Sn2—沟长比如忽略列衬稠效换应即2<<1结论：1.电压增咳益主要悦有管子顾尺寸决由定，增加沟长郊比及减小，增益铸将增高播。2.由于不能冬无限增加掏沟长比，熊该放大器杠的增益低，约5~10颤倍。MOS单极放大锐器E/E雕型NM塌OS单姥极放大拘器gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1输入电仪阻：N1的栅源净绝缘电挤阻，很幼高，一蜘般可达1010。输出电阻由：gds1,gds2<<gm2,gmb2MOS单极放苦大器E/E鸣型NM股OS单盏极放大颤器电压增益输入电阻很高，一橡般可达1010。输出电使阻2<<1胜时N2MOS单极放迈大器E/D型嫁NMOS凑单极放大区器N1UDDUO+-Ui+-gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1放大管净为增强糖型NM爷OS管负载管纠为耗尽墓型（称做D管）E/D挨型便由捏此得名电压增芒益RL2MOS单极放晶大器E/D型金NMOS章单极放大娇器通常rds1>>RL2与E/贷E型比滴较通常2<<12≈0.腔1由此可帝见：AUD比AUE大一个桐数量级菌，约为废几十倍障。是主苦要的N村MOS估放大器雨。MOS单极放大符器E/E么型NM防OS单蒸极放大骨器gm1Ugs1IOD1rds1RL2G1UO+-Ui+-roS1输入电阻创：N1的栅源劝绝缘电碎阻，很耗高，一栽般可达1010。输出电阻桂：gds1,gds2<<gmb2MOS单极放亭大器E/D型恭NMOS触单极放大录器电压增杠益输入电市阻很高，一木般可达1010。输出电仔阻电压增蒜益约为孔几十倍尼，是主统要的N莲MOS府放大器仍。MOS单极放婆大器CMO励S有源涨负载放州大器G1D1S1S2D2G2-USSUDDUiUOEGgm1Ugs1IOD1D2rds1rds2G1UO+-Ui+-roS1S2G2电压增益MOS单极放比大器CMOS画有源负载餐放大器电压增乌益gds比gmb2、gm小1~透2个数蚀量级特点：1.增益高--几百矩倍乃至上录千倍；2.可在较吼低的电拥流下工椒作，有煎利于降切低功耗泛；输入电习阻很高，蜜一般可描达1010。输出电沈阻3.输出电阻累比E/E僻型和E/脚D型高。MOS单极放大斥器CMOS撑互补放大剂器G1D1S1S2D2G2-USSUDDUOgm1Ugs1D1D2rds1rds2G1G2UO+-Ui+-roS1S2UiId1Id2gm2Ugs2电压增益由图可游看出Ugs1=Ugs2=Ui如gm1=gm2=gmro=rds1//rds2MOS单极放塌大器CMOS够互补放大富器电压增益特点：1.增益高--是C梢MOS有林源负载放咏大器的2担倍；2.输出电阻河与CMO脊S有源负隶载放大器愧相同。输出电阻存在问漫题：级联存台在电平超匹配困遥难，因拒此一般坏作输出杏级。MOS集孝成运算放累大器CMO蹄S四运叔放电路芬(5G誓145朱73)BiMO漂S集成运怨算放大器MOS集白成运算放骡大器常用的MOS运放NMO待S运放侧：优点—速排度与集成而度高缺点—押电压增部益比较拿低，电值路比较腹复杂。CMO摊S运放美：优点—冒电压增六益高，系电路比闪较简单缺点—凝速度与列集成度蚀比NM母OS低规。电路结构伏与双极型奴运放相似CMOS缸四运放电洒路(5G超1457溪3)IP0MOS集成电路名有NMO劲S、PM集OS和C展MOS等仍工艺类型歼，MOS植集成电拥路中大党量采用述有源负顿载代替亮实体电菌阻，常钥用的有戚源负载音有：1.坚单管增敬强型有洞源负载场，它采盾用增强塞型MO撞S管组址成。等效交捕流电阻院为:ro=1/(gds+gm+gmb)式中gds—漏源输驱出电导；gm—管子南跨导；gmb——管触子衬底椅跨导。通常gm>gmb>gds2.留单管指耗尽型宽有源负临载，它隐采用耗直尽型M想OS管宫组成。等效交流膀电阻为：ro=1/(gds+gmb)小冠结小害结MOS耐集成电