集成电路运算放大器中的电流源
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集成运算放大器电路-模拟电子电路-PPT精选全文完整版

第4章 集成运算放大器电路
4―3―2差动放大器的工作原理及性能分析 基本差动放大器如图4―12所示。它由两个性能参
数完全相同的共射放大电路组成,通过两管射极连接 并经公共电阻RE将它们耦合在一起,所以也称为射极 耦合差动放大器。
I UE (UEE ) UEE 0.7
RE
RE
第4章 集成运算放大器电路
IC2
R1 R2
Ir
(4―7) (4―8)
第4章 集成运算放大器电路
可见,IC2与Ir成比例关系,其比值由R1和R2确定。 参考电流Ir现在应按下式计算:
UCC
Ir
UCC U BE1 Rr R1
UCC Rr R1
(4―9)
Ir
Rr
IC2
IB1
V1
+
UBE1 -
IE1
R1
IB2 +
UBE2 - R2
(4―11)
Ir
IC1
IB3
IC1
IC3
IC1 IC2,
IC3
3 1 3
IE3
IE3
IC2
IC1
1
IC2
2
若三管特性相同,则β1=β2=β3=β,求解以上各
式可得
IC3
(1 2ຫໍສະໝຸດ 222)Ir
(4―12)
第4章 集成运算放大器电路
利用交流等效电路可求出威尔逊电流源的动态内阻
Ro为
Ro 2 rce
4―2 电流源电路
电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作 用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流, 另一方面可作为有源负载,提高单级放大器的增益。 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。
集成运算放大电路

uA741 (单运放)是高增益运算放大器,用于军 事,工业和商业应用 .这类单片硅集成电路器件提 供输出短路保护和闭锁自由运作。
这些类型还具有广泛的共同模式,差模信号范围和 低失调电压调零能力与使用适当的电位。 uA741 芯片引脚和工作说明: 1和5 为偏置 (调零端) ,2 为正向输入端, 3为反向输入端,4 接地, 6为输出, 7接电源 8空脚
集成运放的输出电压与输入电压(即同相输入端与反相输入端之 间的差值电压)之间的关系曲线称为电压传输特性。对于正、负两 路电源供电的集成运放,其电压传输特性如图3 -4(a)所示。 曲线分线性区(图中斜线部分)和非线性区(图中斜线以外的部 分)。在线性区,输出电压随输入电压(Up - UN)的变化而变化; 但在非线性区,只有两种可能:或是正饱和,或是负饱和。
低输入偏置电流:100nA最大值(LM324A)
每个封装有4个放大器 内部补偿 共模范围扩展至负电源 行业标准的引脚分配 输入端的ESD钳位提高了可靠性,且不影响器件工作 提供无铅封装
特性(Features):
· 内部频率补偿
· 直流电压增益高(约100dB) · 单位增益频带宽(约1MHz)
· 电源电压范围宽:单电源(3—30V);
· 双电源(±1.5 一±15V) · 低功耗电流,适合于电池供电 · 低输入偏流 · 低输入失调电压和失调电流 · 共模输入电压范围宽,包括接地 · 差模输入电压范围宽,等于电源电压范围 · 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)
由于外电路没有引入负反馈,集成运放的开环增益非常高,只要加 很微小的输入电压,输出电压就会达到最大值所以集成运放电压传 输特性中的线性区非常窄,如图3 -4(a)所示。理想运放传输特性无 线性区,只有正、负饱和区,如图3 -4(b)所示。
第八章:集成运放放大电路

u i1 - + +VCC Rc Rb T1 u ic
+
+ uo uo1 IR e
-
Rc
+ RL u -o2 T2 Rb E
u ic
uo= 0 (理想化)。
_V
Re
+ ui2 -
EE
共模电压放大倍数
Auc 0
8.2.3 具有恒流源的差分放大电路
根据共模抑制比公式: Re K CMR Rb rbe 加大Re,可以提高共模抑 制比。为此可用恒流源T3来 + 代替Re 。 u
8.2 差分放大电路
差分放大电路(Differential Amplifier) 又称差动放大电路,简称差放,是构成 多级直接耦合放大电路的基本单元电路。 它具有温漂小、便于集成等特点,常用 作集成运算放大器的输入级。
8.2.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象 1. 零点漂移现象及其产生的原因 直接耦合放大电路在输入信号为零时, 会出现输出端的直流电位缓慢变化的现 象,称为零点漂移,简称零漂。
uo2 T2 Rb -
Au d
u i1 RL - ( Rc // )
u id
2
Rb rbe
2
+ ui2 -
+
ib
+
ic rbe β ib RL uo1
2
差模输入电阻:
+
Rid 2Rb rbe
输出电阻:
ui1 +
Rb
+
RC
-+
Ro 2Rc
(2)加入共模信号
ui1=ui2 =uic, uid=0。 设ui1 ,ui2 uo1 , uo2 。 因ui1 = ui2, uo1 = uo2
+
+ uo uo1 IR e
-
Rc
+ RL u -o2 T2 Rb E
u ic
uo= 0 (理想化)。
_V
Re
+ ui2 -
EE
共模电压放大倍数
Auc 0
8.2.3 具有恒流源的差分放大电路
根据共模抑制比公式: Re K CMR Rb rbe 加大Re,可以提高共模抑 制比。为此可用恒流源T3来 + 代替Re 。 u
8.2 差分放大电路
差分放大电路(Differential Amplifier) 又称差动放大电路,简称差放,是构成 多级直接耦合放大电路的基本单元电路。 它具有温漂小、便于集成等特点,常用 作集成运算放大器的输入级。
8.2.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象 1. 零点漂移现象及其产生的原因 直接耦合放大电路在输入信号为零时, 会出现输出端的直流电位缓慢变化的现 象,称为零点漂移,简称零漂。
uo2 T2 Rb -
Au d
u i1 RL - ( Rc // )
u id
2
Rb rbe
2
+ ui2 -
+
ib
+
ic rbe β ib RL uo1
2
差模输入电阻:
+
Rid 2Rb rbe
输出电阻:
ui1 +
Rb
+
RC
-+
Ro 2Rc
(2)加入共模信号
ui1=ui2 =uic, uid=0。 设ui1 ,ui2 uo1 , uo2 。 因ui1 = ui2, uo1 = uo2
集成运放中的电流源汇总

特点:
1.
2.
电路简单,应用广泛;
要求IC1电流较大情况下,R 的功耗较 大,集成电路应避免; 要求IC1电流较小时,要求R 数值较大, 集成电路难以实现。
3.
若 2 ,I C I R
VCC U BE R
2. 比例电流源
VCC
U BE1 I E1 Re1 U BE2 I E2 Re2
I C4 T4
I
T2
I B1
Re2
Re3
Re4
I E1 Re1 I E2 Re2 I E3 R31 I REF Re1
I C2 I E2 I REF Re1 Re2
I REF Re1 I C3 I E3 Re3
I C4 I E4
I REF Re1 Re4
rbe
对于此电路Rc就是镜
像电流源的交流电阻,
电流源的交流电阻很大
放大管
因此增益比用电阻Rc作负载时大大提高了。
在温度变化情况下,比例电流源的输出电流IC2具有更高的温度稳定性。
3. 微电流源
要求提供很小的静态电流, 又不能用大电阻。
I C2 U BE1 U BE2 I E2 Re2 I C2 U T I E1 ln Re2 I E2
VCC
I REF
I C1 T1
R I B1 I B2
IC
2
I REF
VCC U BE 若 2 ,I C I R R VCC和R一定时,IC电流随之确定。
镜像电流源的温度补偿作用:
I C1 I C1 T I C0 I R U R ( I R R) U B I B
1.
2.
电路简单,应用广泛;
要求IC1电流较大情况下,R 的功耗较 大,集成电路应避免; 要求IC1电流较小时,要求R 数值较大, 集成电路难以实现。
3.
若 2 ,I C I R
VCC U BE R
2. 比例电流源
VCC
U BE1 I E1 Re1 U BE2 I E2 Re2
I C4 T4
I
T2
I B1
Re2
Re3
Re4
I E1 Re1 I E2 Re2 I E3 R31 I REF Re1
I C2 I E2 I REF Re1 Re2
I REF Re1 I C3 I E3 Re3
I C4 I E4
I REF Re1 Re4
rbe
对于此电路Rc就是镜
像电流源的交流电阻,
电流源的交流电阻很大
放大管
因此增益比用电阻Rc作负载时大大提高了。
在温度变化情况下,比例电流源的输出电流IC2具有更高的温度稳定性。
3. 微电流源
要求提供很小的静态电流, 又不能用大电阻。
I C2 U BE1 U BE2 I E2 Re2 I C2 U T I E1 ln Re2 I E2
VCC
I REF
I C1 T1
R I B1 I B2
IC
2
I REF
VCC U BE 若 2 ,I C I R R VCC和R一定时,IC电流随之确定。
镜像电流源的温度补偿作用:
I C1 I C1 T I C0 I R U R ( I R R) U B I B
集成运算放大电路

VCCUBE0 R
(1)
当 1 时,T1管的集电极电流
IC1IE1UBE0ReUBE1
(2)
(2)式中 (UBE0 – UBE1) 大概几十毫伏,因此只要 几千欧的 Re 就可以得到几十微安的IC1,所以称 为微电流源。
由式
IC1
Re0 Re1
IRU ReT1lnIICR1
可得
IC1
UT Re
ln
+VCC
IC0=IC1=IC ,IR为基准电流。
T0
C
T1
A点的电流方程I为E2:IC2IBIC2IC
IC0
2IB
IC
A
1
IC
2
IE2
2
IC2
IB2
IE2
1
B
T2
2
IC2
(1)
IR R
IC2 B点的电流方程为:
IR IB 2 IC IC 2 1 2 IC 22 2 2 2 2 IC 2
பைடு நூலகம்
UBE
UT
ln
IE IS
(2)
B
IC0
T0
A T1
IB0
IB1
Re0 IE0
IE1 Re1
因 将T(30)与式T代1 特入性 (1)完式全得U相:B同E0,U 故B:E1UTlnIIE E10 IE1Re1IE0Re0UTlnIIE E1 0
(3) (4)
当 2时,IC0IE0IR,IC1 IE1,所以
IC2(122 22)IRIR
(2)
2.4 多路电流源电路
基于比例电流源的多路电流源:
+VCC
IR R
C B
IC0
第4章 集成运算放大器的结构及特性

4.输入失调电压温漂 dVio /dT
在规定工作温度范围内,输入失调 电压随温度的变化量与温度变化量 之比值。
5.输入失调电流温漂dIio /dT
在规定工作温度范围内,输入失调电 流随温度的变化量与温度变化量之比 值。
6.最大差模输入电压Vidmax
(maximum differential mode input voltage) 运放两输入端能承受的最大差模输入电压, 超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。
五、运算放大器的符号和型号
运算放大器的符号中有三个引线端,两个 输入端,一个输出端。一个称为同相输入端, 即该端输入信号变化的极性与输出端相同,用 符号‘+’或‘IN+’表示;另一个称为反相输入 端,即该端输入信号变化的极性与输出端相异, 用符号“-”或“IN-”表示。输出端一般画在输 入端的另一侧,在符号边框内标有‘+’号。实 际的运算放大器通常必须有正、负电源端,有 的品种还有补偿端和调零端。
7.最大共模输入电压Vicmax
(maximum common mode input voltage) 在保证运放正常工作条件下,共模输入 电压的允许范围。共模电压超过此值时, 输入差分对管出现饱和,放大器失去共 模抑制能力。
二、运算放大器的动态技术指标
1.开环差模电压放大倍数 Avd :(open loop voltage gain)运放在无外加反馈条件下,输出电 压的变化量与输入电压的变化量之比。 2.差模输入电阻rid :(input resistance)输入差模 信号时,运放的输入电阻。 3.共模抑制比 KCMR :(common mode rejection ratio)与差分放大电路中的定义相同,是差模电压 增益 Avd 与共模电压增益 Avc 之比,常用分贝数 来表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB)
集成运算放大电路

多路电流源电路如图所示,已知所有晶体管的特性均相同, UBE均为0.7V。试求IC1、IC2各为多少。:
因为T1、T2、T3的特性均相同, 且UBE均相同,所以它们的基极、 集电极电流均相等, 设集电极电流为IC。 先求出R中电流,再求解IC1、IC2
IR
VCC U BE3 U BE 0 100μA R
偏置电路:用于设置各级放大电路的静态工作点,采用电流源电路
4.1.3 集成运放的符号和电压传输特性
非线性区
线性区
从外部看,可认为集成运放是一个双端输入、单端输 出、具有高差模放大倍数、高输入电阻、低输出电阻、能 较好抑制温漂的差分放大电路。 uo=Aod(uP-uN) 差模开环放大倍数Aod,通常非常高可达几十 万倍。对理想运放:Aod→∞ Rid →∞ Ro=0
集成运放的选择: 1 信号源的性质 根据信号源是电压源还是电流源,内阻大小、输入信号幅 值及频率的变化范围等,选择运放的rid、-3dB带宽、转换 速率SR等参数 2 负载的性质 根据负载电阻大小,确定所需运放的输出电压和输出电流 幅值。 3 精度要求 根据精度要求选择运放的Aod、UIO、IIO、SR等参数 4 环境条件 根据环境温度变化范围,选择运放失调电压及失调电流的 温漂dUIO/dT dIIO/dT
供偏置电流,又可以作为放大器的有源负载使用。
3.集成运放的主要品种是BJT集成运放、FET集成运放
以及由这两种工艺结合而得到的BiMOS和BiCMOS集成 运放。集成运放的参数有几十个之多,正确掌握了它的 主要参数的物理意义,才能在使用中恰当地选择元器件。 4.除了通用集成运放以外,还有大量特殊类型的运放。
输入级:一般是双端输入的差分放大电路,它的好坏直接影响集成运放 的性能参数(如输入电阻、共模抑制比等)。一般要求输入电阻大、差模 放大倍数高,抑制共模信号能力强。 中间级:主要是放大作用,多采用共射或共源放大电路,经常用复合管 做放大管,以恒流源作集电极负载,Au可达千倍以上。 输出级:应具有输出电阻小、输出电压线性范围宽,非线性失真小等特 点。多采用互补对称输出电路。
集成电路运算放大器-电流源-差分放大电路

以双倍的元器件换 取抑制零漂的能力 接入负载时
Avd = −
β ( Rc // rbe
1 RL ) 2
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3. 主要指标计算 (1)差模情况
<B> 双入、单出 Avd1
vo1 vo1 = = v id 2vi1
差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用
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3. 主要指标计算 (1)差模情况
<A> 双入、双出
vo1 − vo2 vo = Avd = vi1 − vi2 vid 2vo1 βR =− c = rbe 2vi1
2. 抑制零点漂移原理 温度变化和电源电压波 动 , 都 将 使 集电极电 流 产 生 变 化 。 且 变 化趋势是相 同的, 其 效果相当 于 在 两 个 输入端加入了共模信号。
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2. 抑制零点漂移原理
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
在模拟集成电路中,广泛地使用电流源,为放大电路 提供稳定的偏置电流,或作为放大电路的有源负载。
• 镜像电流源 • 微电流源 • 多路电流源 • 电流源用作有源负载
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6.1.1 BJT电流源电路
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6.1.2 FET电流源
Avd = −
β ( Rc // rbe
1 RL ) 2
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3. 主要指标计算 (1)差模情况
<B> 双入、单出 Avd1
vo1 vo1 = = v id 2vi1
差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用
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3. 主要指标计算 (1)差模情况
<A> 双入、双出
vo1 − vo2 vo = Avd = vi1 − vi2 vid 2vo1 βR =− c = rbe 2vi1
2. 抑制零点漂移原理 温度变化和电源电压波 动 , 都 将 使 集电极电 流 产 生 变 化 。 且 变 化趋势是相 同的, 其 效果相当 于 在 两 个 输入端加入了共模信号。
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2. 抑制零点漂移原理
6.1 集成电路运算放大器中的电流源
在模拟集成电路中,广泛地使用电流源,为放大电路 提供稳定的偏置电流,或作为放大电路的有源负载。
• 镜像电流源 • 微电流源 • 多路电流源 • 电流源用作有源负载
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6.1.1 BJT电流源电路
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6.1.2 FET电流源
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双端输入 单端输入 双端输入 单端输
入
双端输出
单端输出
Avd bRL / rbe , RL = RC // RL 2 bRL 2 rbe , RL = RC // RL
Rid
Ro Avc
K CMR Ric
2 rbe
2 RC
RC
0
RL / 2REE
b REE / rbe g m rbe
rbe 1 b2REE
把直流电源、Vic 都短路;
RL 两臂各分一半; 两臂的差模信号电流大
小相等、方向相反,同
时流过T4 时抵消,使T4 无差模电流、也无差模
电压,T4、 R1 可视作短
路(或开路), 这里作短路处理;对于RW:两臂各分一半。
Avd
=
r be
b RL
1 b
RW
= 80 3.3 // 5.5 48
2 1.3 81 0.025
例2:b = 80 V BE = 0.2V rce = 50k
一、估算Q点:
I
CQ 4
I
R
V
CC V EE
R3 R2
=
24 5.7
4.2mA
I CQ1 = I CQ2 = I CQ4 2 = 2.1mA
V V V V I R =
=
CEQ1
CEQ 2
CC
E1
CQ1 C
= 12 0.2 2.13.3 5V
KCMR =
Avd Avc
K CMR
=
20 lg
Avd Avc
dB
(1)双端输出时KCMR为无穷大
K A A =
CMR
vd
vc
(2)单端输出时共模抑制比
K A A =
b ro
CMR
vd1
vc1
rbe
恒流源差分放大电路
为了提高共模抑制比应加大Re 。但Re加大后, 为保证工作点不变,必须提高负电源,这是不经济 的。可用恒流源T3来代替Re 。 恒流源动态电阻大,可提高
Ro = 2 Rc = 6.6k
Rid = 2rbe 1 b RW 2 = 21.3 81 0.025 = 6.65k
例2:
1.双出(双入或单入):
共模特性:已算得rbe=1.3k,电流源
的输出电阻(等效的REE)为4050k。
画共模信号通路:把直流电源、Vid 都短路;RL 两端共模信号电位相等, 故其中无共模电流流过,故可视作开
双电源差分放大电路
例1:
差动电路中,晶体管参数:b1=b2=60,rbb’=300, U I1 = 1V , U I 2 = 1.01V 。 求:(1)静态工作时的两管集电极电流 IC;
(2)双端输出时的 U o 和从 T1 单端输出时的 U o1 。
解: IC = 1/ 2 = 0.5mA
rbe
=
300
(1
b)
26mV IC
AVD
=
vo vid
=
U O U I1 U I 2
= UO =
1 1.01
U O 0.01
AVD
= b RC
rbe
= 6010000 3472
= 172
UO = 172 0.01
U O
= 1.72V
UO1
=
1 2
U O
=
0.86V
小 结(对于基本共发放大器构成的差放)
4、电流源还可单独制成稳流电源使用。
集成电路电流源
一、镜象电流源
三极管T1 、T2 匹配,
b =b =b
1
2
VBE1 = VBE2 = VBE ,则
IR = IC1 2 IB = IC2 2IB 2
= I C 2 (1 b )
且 IR
= VCC
VBE R
,当b 2 时,
IC2 = IR ,IC2 和 IR 是镜象关系。
共模抑制比。同时恒流源的
管压降只有几伏,可不必提
高负电源之值。
恒流源电流数值为 IE =(VZ - VBE3 )/ Re
差分放大电路的静态计算
将电路中信号源短路即可获得计算静态的直流 通路。已知:b=100,VBE=0.6V
IB
=
VEE VBE
Rs (1 b )2Re
V EE
1 b2
Re
12 100 20
镜象电流源
其中:基准电流 I R 是稳定的,故输出电流 I C 2 也是稳定的。
二、精密镜象电流源
精密镜象电流源和普通镜象电流源相比,其
镜象精度提高了b 倍。
电路中增加了T3 管,
I
C
2
= =
IICR1EF=I2REIFBI1B3
b3
IB3 比镜象电流源的2IB小
β3倍。因此IC2和IREF之间的
Rid = rbe 1 b RW 2
= 1.3 81 0.025 3.3k
Ro Rc = 3.3k
差模信号通路
A vd
=
1 2
rbe
bRL
1 b
RW
2
=
1 2
80 3.3
1.3 81
// 11
0.025
=
30.5
例2:
2. 单出-(双入或单入): (2)共模特性
Avc
=
voc vic
差分放大电路的组成
差分放大电路是由两个特性基本相同的三极管组成,电路 参数对称相等。 差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。 静态分析 当输入信号为零时,即 vi1 = vi2 = 0时,
由于电路完全对称。 这时,iC1 = iC2 = IC = I0 / 2 VCE = VCC IC RC VBE vo = vC1 vC2 = 0
因 VBE1 VBE2
I E1 Re1 IE2 Re2
I E2 Re1 I E1 Re2
比例式电流源
五、多路电流源
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。图中一个基准电流 IREF可获得多个恒定电流 IC2、IC3。
多路电流源
差分放大电路
vi1
电路完全对称的理想情况: vi2
= b RC
rbe
双端输入、单端输出
AVD1
=
1 2
AVD
=
b RC
2rbe
加负载电阻RL
AVD
=
b RL
rbe
式中:RL
=
RC
//
RL 2
共模电压增益 Avc
(1)双端输出时:
v v v Avc =
oc1 oc2
0
ic
共模电压增益越小, 放大电路的性能越好。
(2)单端输出时:
b
A v R R = oc1 =
零点漂移——动画6-1
零点漂移——动画6-2
差模电压增益
双端输入、双端输出
差分放大电路有两个输出端—集电极
C1和集电极C2。
若信号从C1 和C2输出,则称为双端
输出,反之,若信号仅从集电极 C1或
C2 对地输出,则称为单端输出。
AVD
=
vo vid
= vo1 vo2 vi1 vi2
= 2vo1 vid
路;由于两臂的共模信号电流同时流
过T4 、R1,因此,把它等效到每管发 共模信号通路 射极时,需用2REE表示。RW的影响可
略。
Avc
=
V oc V ic
=
0,
K CMR = Avd Avc
Ric = rbe 1 b2 REE
81 2 4050 = 656M
例2:
2. 单出-(双入或单入): (1)差模特性:
二、动态分析:
r I be1,2 = 300 1 b 26
300 80 26 2.1 1.3k
EQ1
等效的发射极耦合电阻REE—比例式电流源的输出电阻
REE = Ro4 1 b4rce4 = 81 50 = 4050k
例2:
1.双出(双入或单入):
差模特性: rbe=1.3k,
画差模信号通路:
C
C
vc1
v r ic
be
1 b
2ro
2ro
Avc1越小,抑制共模信号的能力越强。
(2)差模输入电阻
不论是单端输入还是双端输入,差模输 入电阻Rid是基本放大电路的两倍。
Rid = 2Rs rbe
(3)输出电阻
输出电阻在
单端输出时,Ro = Rc 双端输出时,Ro = 2Rc
共模抑制比
共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。
而IC2可降至A量级的微电流源。且 IC2 的稳定性也比IREF 的稳定性好。
微电流源
四、比例式电流源
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。
因两三极管基极对地电位 相等,于是有
VBE1 I E1 Re1 = VBE2 I E2 Re2
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。
电流源概述
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、 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。
=
6μ
A
IC b IB = 100 0.006 = 0.6mA
另一种工程估算法:
R IE VEE 2
= 12 20 = 0.6mA