电流源电路及应用示例分析

在双端输入单端输出的差动放大电路，为了有效抑制电路的零点漂移，提高差动放大电路抑制共模信号的性能，提高共模抑制比，由式（4-25）和式（4-26）可知，应当增大R_e的阻值，但过大的R_e往往难于集成，而且R_e上的电压由V_EE供给，在VT₁管和VT₂管集电极电流不变的情况下，要增大R_e则必须增大V_EE，而实现大电压直流电源很困难。为了能用较低的电源电压，并且可获得很大的等效电阻，可以利用恒流源直流电阻小和交流电阻大的特点，用恒流源来代替R_e构成恒流源差动放大电路，其简化电路如图4-18所示。

图4-18 带恒流源的差动放大电路

在差动放大电路中，恒流源代替R_e提高电路的性能。另外，电流源（恒流源）给集成运算放大电路提供合适的静态偏置电流和作为有源负载提高放大电路的增益。

1.单管电流源

图4-19是晶体管组成的电流源电路，它就是前面介绍的分压式偏置稳定共射放大电路。当V_CC、R_b1、R_b2和R_e确定之后，基极电位U_BQ固定不变，则集电极电流I_CQ基本恒定，基本不受温度影响。从晶体管的输出特性曲线可以看出：晶体管工作在放大区时，I_CQ具有近似恒流的性质。其交流输出电阻近似为

交流电阻为r_ce一般为几十千欧至几百千欧，而R_o＞＞r_ce，即单管电流源电路的交流输出电阻很大，可达几十兆欧。

在单管电流源电路中用了三个阻值较大的电阻，不便于集成，所以在集成运算放大电路中常采用以下几种电阻数量少且数值小的微安级电流源电路。

图4-19 单管电流源电路

2.镜像电流源

镜像电流源如图4-20所示，VT₁和VT₂管参数和特性相同，VT₁接成二极管，集电结零偏。由于U_BE1=U_BE2=U_BE，所以I_B1=I_B2=I_B，I_C1=I_C2=I_O。

基准电流I_R为

所以

若β＞＞2，则

由式（4-31）可知，当V_CC、V_EE和R数值确定，I_R也就确定了，I_O和I_R相等，I_O可看成I_R的镜像，镜像电流源由此而得名。镜像电流源电路简单，应用广泛，具有一定的温度补偿作用，I_C1温度稳定性能好。但是，I_C1受电源电压变化的影响大，故不适宜在电源电压波动大的应用场合；适用于较大工作电流（mA数量级）的场合，若要求微安级的I_C1，则R的阻值必然很大而难于集成。

图4-20 镜像电流源

3.比例电流源

比例电流源的输出电流与基准电流I_R成比例关系，如图4-21所示。

由图可知

β＞＞1，则I_E2≈I_C2≈I_R，I_O≈I_E1 （4-33）

由式（4-32）和式（4-33）可得

室温下，参数相同的两管在I_C相差10倍以内时，|U_BE2-U_BE1|＜60mV，可近似认为U_BE2=U_BE1。

所以

由式（4-34）可知，在比例电流源中，I_O与I_R成比例关系，其比值由电阻R₁和R₂决定。基准电流I_R为

4.微电流源

微电流源是一种能提供微安级小电流的恒流源电路，令图4-21的电阻R₂=0，就可得到如图4-22所示的微电流源。微电流源采用阻值较小的电阻可获得较小的输出电流。

图4-21 比例电流源

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图4-22 微电流源

由图4-22可知

根据晶体管和I_E之间的关系可得

由于VT₁和VT₂管参数和特性相同，所以

β＞＞1，则I_E2≈I_C2≈I_R，I_O≈I_E1，根据式（4-36）和式（4-38）可得

式（4-39）是超越方程，可通过图解法或累试法解出I_O。式中的基准电流I_R为

5.基本三晶体管电流源

基本三晶体管电流源如图4-23所示，VT₁和VT₂管参数和特性相同，β₁=β₂=β，U_BE1=U_BE2=U_BE，所以I_B1=I_B2=I_B，则输出电流为

由式（4-41）和式（4-42）可得

基准电流I_R为

图4-23 基本三晶体管电流源

通过VT₃管的发射极电流给VT₁和VT₂管提供基极电流，I_B3对基准电流的分流很少。VT₃管的电流明显小于VT₁或VT₂管电流，则要求β₃＜β。比较式（4-30）和式（4-43）可知基本三晶体管电流源的输出电流比镜像电流源的输出电流更加逼近基准电流，准确度得到提高，同时β的变化对电流源输出电流影响要小得多。

图4-24 多路电流源

集成运算放大电路需要多路电流源给各级的放大电路提供合适的直流电流，将图4-23的基本三晶体管电流源扩展为如图4-24所示的多路电流源，若VT₀，VT₁，…，VT_n管参数和特性相同，可得

I_O1=I_O2=…=I_On≈I_R （4-45）

6.带电流源的共射放大电路

通过增大集电极电阻R_c可以提高共射放大电路的电压放大倍数，但是为了保持晶体管静态电流不变，当R_c增大时，必须提高电源电压，给电路设计带来困难，同时，R_c太大也不便于集成，因为在集成电路制造工艺中制造大电阻的代价太高。在集成运放电路中，常用电流源电路代替R_c，在电源电压不变的情况下，电流源的交流等效电阻大，使得电压放大倍数增大，但直流电阻较小，因而能获得合适的静态电流。由于晶体管和场效应晶体管是有源器件，在模拟集成电路中常把它们作为负载使用，故称为有源负载。如图4-25所示为把镜像电流源作为有源负载的共射放大电路，图4-26是其微变等效电路。

图4-25 有源负载放大电路

图4-26 图4-25微变等效电路

VT₃是放大管，VT₁和VT₂管构成镜像电流源，它们的参数和特性相同，β₁=β₂=β，I_C1=I_C2，即I_C1和基准电流I_R相等。

电路的电压放大倍数为