6-3 电流源电路

I R Re1 Io Re2
Io
Re1
IR
Io 所以在 0.1 10 的范围内 IR
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
Re1 U CC Io IR Re2 Re2 R Re1
Io Io 0.1或 10 时, 上式不再成立, 可用下式估算： 当 IR IR
增大动态范围。 3、由电流源给电容充电，可获得随时间线性 增长的电压输出。 4、电流源还可单独制成稳流电源使用。
下面我们从晶体管实现恒流的原理入手， 介绍集成运放中常用的电流源电路。
6.3.1 单管电流源电路
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
用普通的三极管接成电流负反馈电路，即可构成一个基 本的电流源电路。
而镜像电流源的输出电流Io与参考电流IR之间的相对误差是：
I C1 IR

I C1 I R IR
2 2 2 9.1% 2 22
I o I C3 I R
U CC U BE3 U BE2
ro

2
R
rce3
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
2
＋U CC RL IC ＝Io
2
R IR
2IB
V1 IB IE
1 1
V2 IB
2
V2 IE VDE IB
1 2
2
IDE
IE
1
2
(a ) 镜像电流源
(b ) 镜像电流等效电路
图 6 – 14 镜像电流源及等效电路
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
因为V1管的集电极和基极之间短路, 所以V1管仅仅相当于 一个由其发射结构成的二极管, 将其记作VDE1 , 因此, 图 6 -
6.3.4 比例电流源 上面讨论的都是Io等于IR的镜像电流源，但是在模拟 集成电路中也常常需要Io不等于IR的恒流源。其常用 电路如图所示的比例电流源。
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。
＋U CC IR R RL
＋U CC IC2 ＝Io
I DE1
I E2
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
由于两管特性相同，所以有：
I s1 I s2 T1 T2 U BE1 U BE2 I DE1 I E2
I R I DE1 I B2 I E2 I B2 I C2 I B2 I B2 I C2 2

I C2
2 1 I C2
＋U C C ＋U C C RL IC ＝Io
2
＋U C C R IR IC
1
＋U C C RL IC ＝Io
2
R IR
2IB
V1 IB IE
1 1
V2 IB
2
V2 IE VDE IB
1 2
2
IDE
IE
1
2
(a ) 镜像电 流源
(b ) 镜像电 流等效电 路
当β>>2, UCC>>UBE2时, 则：
U CC U BE 2 U CC I o I C2 I R R R 该电路的缺点：
⑴受电源的影响大。
2 IR 1 I C2
⑵难于做成小电流的电流源。
⑶电流源的输出电阻还不够大。 ⑷Io与IR近似相等，精度不高。 为提高电流源的精度和电路的动态输出电阻，可采 用威尔逊电流源。
(b) (c)
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
需要指出，晶体管实现恒流特性是有条件的，即要保 证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流作用。 这一点对所有晶体管电流源都适用。 分压偏置基本放大电路
分压偏置电路对
工作点具有稳定作用， 也就是对IO有稳定作 用，具有稳流特性。 电流源的内阻大，内 阻越大稳流特性越好。 (a) (b)
1
2
IC 1 V1 IE
IB
3
V1 IB
1
V2 IB
2
1
VDE
2
IDE
2
(a )
威尔逊电流 源
(b ) 威 尔 逊 等 效 电 路
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
当β=20时, 威尔逊电流源的输出电流Io与参考电流IR之
间的相对误差是：
I o I o I R 2 2 2 0.45% 2 IR IR 2 2 442
(b ) 镜像电 流等效电 路
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
镜像电流源电路的交流电阻：
V Ro = T IT
由于 T2 的集电极电流 基本不变。所以交流量 0 I
T
V Ro = T IT
一般Ro在几百千欧以上
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
由上面可知：I DE2 I E1
2
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
I E3 I B1 I DE 2 I B1 I E1 I B1 I B1 I C1 2 I B1 I C1
I C3 I E3
＋U C C IR R IB
3

I C1
I o I C3 I R
ro
Io IC3 I R
＋U C C RL IR IC ＝Io
3
U CC U BE3 U BE2 R
＋U C C RL IC ＝Io
3

2
rce3
＋U C C IR R IB
3
＋U C C R IB
3
2I B IC
V3 IE IC
3
V3 IE
1
镜象电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等
3、电流源电路一般都加有电流负反馈。 4、电流源电路一般都利用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。
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
二、电流源电路的用途：
1、给直接耦合放大器的各级电路提供直流偏
置电流，以获得极其稳定的Q点。 2、作各种放大器的有源负载，以提高增益、
I E1 U BE1 U T ln I S1 U BE 2 U T ln IE2 I S1 IS2 U BE1 U BE 2 I E1 IE2 U T ln U T ln IE2 I E1 IE2 IS2
所以
当两管的射极电流相差10倍以内时： I E1 U BE1 U BE 2 UT ln UT ln 10 60m V IE2
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
6.3 电 流 源 电 路 6.3.0 电流源概述
电流源是一个输出电流恒定的电源电路，它具有很 高的输出电阻。对提高集成运放的性能起着极为重要的 作用。 一、电流源电路的特点：
1、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒流特 性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 2、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有：
U BE1 U BE 2
I E1 UT ln IE2
UT ln 10 60m V
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时两管 UBE电压(>600mV)的10%。因此，可近似认为UBE1≈UBE2。
UBE1 I E1R1 UBE2 I E 2 R2
＋U C C ＋U C C RL IC ＝Io
2
当β>>2, UCC>>UBE2时, 则：
I o I C2
＋U C C
U CC IR R
＋U C C RL IC ＝Io
2
R IR IC
1
R IR
2IB
V1 IB IE
1 1
V2 IB
2
V2 IE VDE IB
1 2
2
IDE
IE
1
2
(a ) 镜像电 流源
IB V1 IE Re
2
V2 Re IE
1
1
2
2
图 6 – 16 比例电流源
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
由于V1与V2的特性完全相同，所以有因两三极管基 极对地电位相等，于是有：
U BE1 I E1R1 U BE 2 I E 2 R2
因为
qU kT ID Is e 1

1
Βιβλιοθήκη Baidu
I E3
＋U C C RL IC ＝Io
3
2 2 IC IC IC 1 1
3 1
1
＋U C C IR R IB
3
＋U C C RL IC ＝Io
3
2I B IC
V3 IE IC
3
V3 IE
1
1
2
IC1 V1 IE
IB
3
V1 IB
1
V2 IB
2
1
VDE
2
IDE
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
威尔逊电流源是为了在低的情况下仍能获得较好的 镜像特性而设计的。电路如下图：
＋U C C IR R IB
3
6.3.3
＋U C C RL IC ＝Io
3
＋U C C IR R IB
3
＋U C C RL IC ＝Io
3
2I B IC
V3 IE IC
3
V3 IE
Re1
I o I C2
UT IR IR 1n Re2 Re2 Io
Re1
由于Re2引入了电流负反馈，所以输出电阻ro要比V2的本身 的输出电阻大的多：
Re2 ro rce2 1 Re rbe 2 2
2
(a ) 威尔逊电流 源
(b ) 威 尔 逊 等 效 电 路
2 2 IC IC IC 1 1
3 1
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
1
I C1 I R I B3 I R
当(β2+2β+2)>>2时,
1

I C3
2 I o I C3 I R 1 2 2 2
图 (c)为该电路等效的电流 源表示法，图中Ro为等效电 流源的动态内阻。利用图 (b) 电路的交流等效电路可以证 明，Ro近似为： R3 Ro rce (1 ) rbe R3 R' B 式中，R’B=R1‖R2。
IC R1 IB R2 0 UCE (a) R3 Ro IC IC
－ UEE
三极管电流源
6.3.2 镜像电流源电路
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
在单管电流源中，要用三个电阻，所以不便集成。为此， 用一个完全相同的晶体管 V1, 将集电极和基极短接在一起来代替 电阻R2和R3，便得到下图（a）所示的镜像电流源电路。
＋U CC ＋U CC R IR IC
1
＋U CC RL IC ＝Io
当β>>1时
I E1 Re1 I E2 Re2
I E2 I C2 I B2 I C2 I o I E1 I R I B2 I R
I o Re1 I R Re 2
Re2 可见，Io与IR成比例关系，其比值由Re1和Re2确定。参 考电流IR现在应按下式计算： U CC U BE1 U CC IR R Re1 R Re1
14(a)可以等效为图 6 - 14(b)。
由第一章公式(1 - 1)可知, PN结的伏安特性方程为：
qU kT ID Is e 1
所以流过V1管与V2管发射结的电流分别为：
1 qUBE kT I s1 e 1 1
2 qUBE kT I s2 e 2 1
1
1
2
IC1 V1 IE
IB
3
V1 IB
1
V2 IB
2
1
VDE
2
IDE
2
(a )
威尔逊电流 源
(b ) 威 尔 逊 等 效 电 路
图 6 – 15 威尔逊电流源及等效电路
图中V1、V2、V3的特性完全相同。V1与V3工作在放 大状态；V2相当于一个由发射结构成的二极管。RL 是后级电路的等效电阻 。
图 (a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特性曲线。由图 可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也不击穿， IC就基本恒定。 因此，固定偏流的晶体管，从集电极看进去相当于一个恒流源。
由交流等效电路知，它的动态内阻为rce，是一个很大的电阻。 为了使IC更加稳定，可以采用分压式偏置电路(即引入电流负反馈)， 便得到图(b)所示的单管电流源电路。
当β>>2时, I R IC2 又因为：
2 IR 1 I C2
西安电子科技大学计算机学院 吴自力 2008.5
所以当UCC>>UBE2时,
IR
U CC U BE2 R
U CC IR R
可见，只要Ir一定，IＣ2就恒 定；改变Ir，IC2也跟着改变。 两者的关系好比物与镜中的 物像一样，故称为镜像电流 源。