模擬電子電路4-1

第4章

模擬集成基本單元電路4.2集成電路（IC）中的電流源4.3帶恒流源負(fù)載的放大電路4.4差動(dòng)放大器析4.5功率輸出級(jí)電路器4.1半導(dǎo)體集成電路概述4.6BiCMOS電路4.1半導(dǎo)體集成電路概述返回

第一塊集成電路出現(xiàn)于1958年。在使用電子電路的絕大多數(shù)場(chǎng)合，IC已經(jīng)基本上取代了分立元件電路。集成電路按處理信號(hào)的類型可分為數(shù)字IC和模擬IC。

模擬集成電路因其制造工藝的特殊性，使它在電路設(shè)計(jì)、元件選取等方面與分立元件電路有所不同。歸納起來，模擬IC工藝大致有以下特點(diǎn)：1．晶體管(BJT)按標(biāo)準(zhǔn)工藝制作，成本低且占用硅片面積小。二極管一般都用BJT的一個(gè)PN結(jié)擔(dān)任，不再用專門工藝生產(chǎn)。2．生產(chǎn)電阻的工藝不比生產(chǎn)晶體管的工藝簡單，而且電阻值越大，占用硅片面積越大。3．制造數(shù)十皮法以上的電容將占用很大的硅片面積，電路中使用電容非常不合算。4．無法集成電感元件。5．集成電路易于生產(chǎn)配對(duì)的元件(相對(duì)誤差1％以下)，但元件的絕對(duì)誤差較大(絕對(duì)誤差20％)。4.2恒流源和穩(wěn)定偏置電路4.2.1BIT參數(shù)的溫度特性4.2.2BJT恒流源返回4.2.3MOS恒流源BUBEIB·QiBAQ/·4.2.lBIT參數(shù)的溫度特性休息2休息1返回i

CQICUCEGF·i

CICGF·Q/休息2休息14.2.l

BJT參數(shù)的溫度特性返回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

恒流源的端口電壓U可以在很大范圍內(nèi)變化，但端口電流I卻改變很小，其原因是端口的動(dòng)態(tài)電阻—恒流源內(nèi)阻ro很大，當(dāng)ro=∞時(shí)，就是理想恒流源。ro=Δu/ΔiI+U+Δu

-i=I+Δi=ICQ+ΔiCΔuCEΔiC

如果讓BJT偏置在放大區(qū)，固定其基極偏流IBQ，

C--E之間就等效成為一個(gè)恒流源iCICQuCEIBQUCEQuiIUΔu1.基本鏡像恒流源電路仿真(2)鏡像恒流源的電路結(jié)構(gòu)：

用兩個(gè)配對(duì)的NPN型BJT構(gòu)成基本鏡像恒流源(又稱為電流鏡)。

VT2管的集電極電流IC2就是恒流源的輸出電流，可以為集成電路中的各類放大電路提供恒定的偏置電流。

EC

、R和VT1構(gòu)成鏡像恒流源的參考回路，該回路產(chǎn)生的電流IR稱為參考電流。參考電流IR受晶體管參數(shù)的影響不大，在EC

、R確定的條件下，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電流。

雖然VT1的集電結(jié)零偏(UCB1=0)，但未進(jìn)入飽和區(qū)，仍然處在放大區(qū)1.基本鏡像恒流源電路仿真返回休息2休息1（3）電路工作原理分析

在VT1和VT2兩管匹配，β1=β2=β、且UBE1=UBE2=UBE

的電路條件下，應(yīng)滿足

IB1=IB2=IB、IC1=IC2=IC

由節(jié)點(diǎn)電流可得參考電流IR的表達(dá)式為鏡像恒流源的輸出電流IC2與參考電流IR是鏡像關(guān)系

當(dāng)β>>1時(shí)，可得1.基本鏡像恒流源返回休息2休息1（4）電路性能的討論①鏡像恒流源電路的輸出電流IC2與參考電流IR成鏡像關(guān)系，即IC2≈IR

在集成電路的設(shè)計(jì)中常采用一個(gè)參考電路同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)(例如n個(gè))輸出電流的鏡像恒流源電路

②由于，表明參考電流IR僅決定于外電路參數(shù)與晶體管參數(shù)無關(guān)，即與溫度無關(guān)，這樣IC2將為放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流。

③IR-IC2=2IB，表明輸出電流IC2與參考電流IR存在一定的誤差當(dāng)β較小時(shí)，相對(duì)誤差將加大。

在多輸出的情況下基本鏡像恒流源輸出電流ICn與參考電流IR之間不完全成鏡像關(guān)系，精度較差。絕對(duì)誤差為(n+1)IB

，相對(duì)誤差=(n+1)/β。

1.基本鏡像恒流源返回休息2休息1（4）電路性能的討論

④鏡像電流源的輸出電阻等于VT2管的輸出電阻

輸出電阻rce2相對(duì)較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中輸出電流IC2受負(fù)載波動(dòng)的影響較顯著。

⑤UCE1=UBE≠UCE2

，因此VT1和VT2工作狀態(tài)并不對(duì)稱當(dāng)考慮到基區(qū)寬調(diào)效應(yīng)時(shí)，會(huì)引起電流誤差，即IC1≠IC2。電路仿真2.精密鏡像恒流源電路仿真

VT3管，對(duì)分流電流IB3的放大作用，從而使誤差減小了(1+β)倍，精度提高了(1+β)倍。

2.精密鏡像恒流源休息2休息1返回電路仿真由于恒流源電路的參考電流IR≈EC/R是恒定的，所以VT2和VT4的基極電壓也是恒定的，意味著VT2和VT4的基極對(duì)地交流短路。(3)顯然，該恒流源的輸出電流IC2的精度并不高，與基本鏡像恒流源的相同。但該電路的特點(diǎn)是輸出電阻ro很大。

由圖可以看出，ib4=0，受控電流源βib4開路，

rbe2

與

rbe4是并聯(lián)關(guān)系，電路可進(jìn)一步簡化3.高輸出阻抗串接鏡像恒流源電路仿真rce4>>rbe2，所以rce4//rbe2≈rbe2

4.威爾遜（Wilson）恒流源IC1IC2IB2

電路仿真休息2休息1返回4威爾遜電流源（高輸出阻抗精密電流源）休息2休息1返回

(2)電路分析：

IR=IC1+IB2

,IB2=IC2/β,IC1=IC3

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

-2IC3

/β

電路仿真5.比例恒流源休息2休息1返回電路仿真(3)輸出電阻為

繼續(xù)休息2休息1電路仿真返回6.微恒流源（Widlar恒流源）

可以推算出輸出電阻為4.2.3MOS恒流源1.MOS有源電阻（1）增強(qiáng)型MOS有源電阻MOS晶體管在模擬集成電路中常采用的兩種特殊接法：柵極與漏極間短路的增強(qiáng)型MOS有源電阻和柵極與源極間短路的耗盡型MOS有源電阻。UGD=0<UGS(th)。根據(jù)表2.2可知，這種連接方式的MOS管一定偏置在恒流區(qū)(放大區(qū)）。

柵極與漏極間短路的增強(qiáng)型NMOS管可以作為一個(gè)非線性的有源電阻

由于uds=ugs，所以在電路中從NMOS管的漏極與源極間看入相當(dāng)于一個(gè)非線性的有源電阻，其內(nèi)阻為（1/gm）//rds

1/gm4.2.3MOS恒流源1.MOS有源電阻（2）耗盡型MOS有源電阻由于uGS=0，當(dāng)uDS>uGS-UGS(off)=-UGS(off)

時(shí)，耗盡型NMOS管將偏置在恒流區(qū)

柵極與源極間短路的耗盡型NMOS管也可以作為一個(gè)非線性的有源電阻，

由于ugs=0，gmugs=0，所以從NMOS管的漏極與源極間看入相當(dāng)于一個(gè)非線性的有源電阻，其內(nèi)阻為rds

4.2.3MOS恒流源2.基本MOS恒流源電路（電流鏡）VT1

，VT2

，VT3為E型NMOSFET。電路結(jié)構(gòu)與BJT恒流源電路相似，其中參考電流IR的回路由VT3和VT1構(gòu)成。由于在MOS工藝中制造MOS管占芯片面積要比大阻值的電阻小的多，故電路中用VT3代替電阻R。

VT1、VT3管柵極與漏極間短路，一定工作在恒流區(qū)，根據(jù)式MOSFET管在恒流區(qū)的大信號(hào)特性方程如果VT1和VT3管對(duì)稱，UGS1(th)=UGS3(th)

1.基本恒流源電路（電流鏡）仿真3.MOS比例恒流源

仿真仿真4.共源-共柵MOS恒流源

電路是由兩個(gè)基本MOS恒流源上下串接而成。設(shè)所有的晶體管都相等，在忽略溝道調(diào)制效應(yīng)（即λ=0）的條件下，

由于IR為恒定量，所以VT1～TV4各管柵極電壓為恒定值，利用MOS管小信號(hào)模型，可等效為求解輸出電阻的微變等效電路。由輸出電阻的定義