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第五章 差分放大器与多级放大器
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2010-03-28
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本章首先介绍几种常用的电流源电路及其工作原理,然后对差分放大器和多级放大器电路进行重点分析,最后给出了模拟集成电路的读图、主要指标及使用方法。在给出差分放大器电路的组成及其工作原理并对其进行静态分析和动态分析的基础上,推导了电路的差模增益、共模增益、输入电阻、输出电阻以及共模抑制比等技术指标,并指出了差分放大器抑制零点漂移、转移特性等特点;对多级放大器的组成框图、分析方法、级间耦合方式进行介绍,并对多级放大器指标计算进行重点分析;最后通过模拟集成电路读图练习印证和回顾电流源、差分放大器和多级放大器的应用。
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第五章 差分放大器与多级放大器
概述:本章首先介绍几种常用的电流源电路及其工作原理,然后对差分放大器和多级放大
器电路进行重点分析,最后给出了模拟集成电路的读图、主要指标及使用方法。在给出差
分放大器电路的组成及其工作原理并对其进行静态分析和动态分析的基础上,推导了电路
的差模增益、共模增益、输入电阻、输出电阻以及共模抑制比等技术指标,并指出了差分
放大器抑制零点漂移、转移特性等特点;对多级放大器的组成框图、分析方法、级间耦合
方式进行介绍,并对多级放大器指标计算进行重点分析;最后通过模拟集成电路读图练习
印证和回顾电流源、差分放大器和多级放大器的应用。
5.1 电流源
利用三极管 BJT(或场效应管 FET)及辅助元器件可以构成电流源,电路输出电流稳定 ,
在电子电路中尤其是在集成电路中,常用来为放大电路提供稳定的直流偏置,或作为放大
器的有源负载,本节介绍几种常用的电流源。
5.1.1 镜像电流源
如图 5-1-1 所示,设 T
1
、T
2
的参数完全相同,β
1
=β
2
、I
CEO1
=I
CEO2
,三极管 T
1
和 T
2
基 极 和 发 射 极 分 别 相 连 , 由 于 两 管 具 有 相 同 的 发 射 结 电 压 : V
BE1
=V
BE2
, 所 以
I
B1
=I
B2
、I
E1
=I
E2
、I
C1
=I
C2
。R
RE
F
为参考电阻,流过参考电阻 R
RE
F
的电流为:
(5-1-1)
当三极管的 β 值较大时,基极电流 I
B
可以忽略,由于两管 T
1
、T
2
的对称性,所以 T
2
的集电极电流近似等于参考电阻上的电流:
I
o
V
CC
I
REF
I
C1
T
2
T
1
I
C2
图 5-1-1 BJT 构成的镜像电流源
R
REF
R
L
2I
B
1
(5-1-2)
外接负载电阻 R
L
时,有恒定的电流 I
O
=I
C2
流过,输出电流 I
O
不随 R
L
变化而变化,当
R
REF
确定后,I
REF
就确定了,随之 I
C2
确定,I
C2
就像 I
REF
的镜像,因此得名镜像电流源。
例 5-1-1 如 图 5-1-1 所 示 的 电 路 中 , β=100, 管 子 完 全 对 称 , V
CC
=5V , 如 要 求
I
O
=1mA,( 1)试比较参考电流 I
REF
与输出电流 I
O
;( 2)确定电阻 R
REF
的大小。
解:(1)
I
REF
与 I
O
仅差 0.02mA,近似相等。
(2)由: 得:
上图电路是在三极管 β 值足够大,I
C
>>I
B
的情况下得到的结果,输出电流 I
O
近似等于
参考电阻的电流 I
REF
,考虑到两个管子基极电流 2I
B
对参考电流 I
REF
的分流作用,为减小分
流的影响,提出改进型镜像电流源电路如图 5-1-2 所示,增加一个三极管 T
3
,该管子又称
为扩流管,流过 T
3
管的基极电流:
流过参考电阻的电流为: (5-1-3)
此时输出电流为: (5-1-4)
与图5-1-1所示的镜像电流源相比对称精度大大提高。实际应用中,为避免 T
3
工作
电流太小,引起其 β 的减小,使 I
B3
增大,一般在 T
3
的发射极上接一个电阻 R
E
,为 T
3
提供
泄放电流 I
E3
,以提高 T
3
管实际的放大倍数。
2
由
FET
组成的镜像电流源如图
5-1-3
所示,两个
FET
完全相同,即
µ
n
、
C
OX
、
V
GS (th)
完全相同,两个管子的源极、栅极分别相连,
V
GS1
=
V
GS2
。由于
V
D
=V
G
,
V
S
=0
,所以
V
DS
>V
GS
-V
GS(th)
,
N-EMOSFET
工作在饱和区。 考虑场效应管的漏极电流与栅源电压之间
的关系,则有:
(
5-1-5
)
所以有:
I
D1
=I
D2
I
o
R
L
R
E
I
B 3
R
REF
T
3
V
CC
I
REF
I
C1
T
2
T
1
I
C2
图 5.1.2 改进型镜像电流源
2I
B 1
3
又因为
FET
的栅极电流近似为零,所以有:
(
5-1-6
)
调整 R
REF
的大小,即可改变输出电流的大小。输出电流的大小与负载电阻无关,改变负载
电阻的大小,输出电流 I
O
保持恒定。因 I
O
=I
REF
,I
O
就像 I
REF
的镜像,所以又称为镜像电流
源。
5.1.2 微电流源
在集成电路中电阻不能做得太大,大电阻精度很难控制,且有些场合需要小电流作为
直流偏置,因此需要微电流源的场合很多。与镜像电流源相比,微电流源在 T
2
管的发射极
串接一个电阻 R
E
,微电流源电路如图 5-1-4 所示。当基准电流 I
REF
一定时,忽略基极电流
I
B
,由于两个管子的基极相连,则:
求解 BE 之间的电压得:
由上二式求得:
由图 5-1-4 可得: (5-1-7)
R
L
T
2
T
1
I
D1
I
D2
I
REF
R
REF
V
DD
图 5-1-3 FET 构成的镜像电流源
4
根据上二式求得: (5-1-8)
式(5-1-8)表明了基准电流 I
REF
与输出电流 I
0
之间的关系。
由于一般硅材料三极管发射结导通电压为 V
BE
=0.7V 左右,两个管子发射结电压之差
ΔV
BE
很小,用不大的 R
E
就可以获得很小的电流,I
REF
=(V
CC
-V
BE1
)/R
REF
。当 V
CC
、R
REF
选
定时,电流 I
REF
随之确定,V
BE1
、V
BE2
为一定值时,I
C2
可以确定。当外接负载电阻 R
L
时,
就会有微小的输出电流 I
O
通过,该电流不随负载 R
L
而改变,仅与两个管子发射结电压之差
ΔV
BE
和电阻 R
E
有关。另外源电压的波动对该微电流源影响较小,同时由于 T
1
对 T
2
的温
度补偿作用,温度稳定性也比较好,因此微电流源在集成电路中有广泛应用。
由于电流源具有直流电阻小而交流电阻很大的特点,在模拟集成电路中广泛用作负载
使用,称为有源负载,如图 5-1-5 所示,T
3
为放大管,R
b3
为 T
3
提供基极直流偏置 ,
T
1
、T
2
组成镜像电流源,作为 T
3
放大器的有源负载,T
3
管的集电极电流 I
C3
=I
C2
=I
REF
电流。
T
3
及外围电路一起管组成共发射极放大器。
I
O
R
L
V
CC
I
REF
I
C1
T
2
T
1
I
C2
图 5-1-4 微电流源
R
REF
R
E
5
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- allengyj2012-06-28解释的很详细,只有一张,不知道是什么书名,正在做差分放大器,对我很有帮助
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