4.5 4.5 电流源电路及其应用电流源电路及其应用直流状态工作时，可提供恒定的输出电流直流状态工作时，可提供恒定的输出电流IO 。 交流工作时，具有很高输出电阻交流工作时，具有很高输出电阻RO，可作有源负载使用。，可作有源负载使用。 + - -VQ+vRiB恒定恒定iC外电路外电路（电流源电路）（电流源电路）+ - -VQR电流源电流源IO（直流状态）（直流状态）+ - -R电流源电流源ROv（交流状态）（交流状态） 电流源电路特点：电流源电路特点： 对电流源电路要求：对电流源电路要求：直流状态工作时，要求直流状态工作时，要求I IO O精度高、热稳定性好。精度高、热稳定性好。交流状态工作时，要求交流状态工作时，要求RO大（理想情况大（理想情况 RO）。）。利用利用iB恒定时，恒定时，iC接近恒流特性而构成。接近恒流特性而构成。 电流源电路原理：电流源电路原理：4.5.1 4.5.1 镜像电流源电路镜像电流源电路 假设假设T1、T2两管严格配对两管严格配对q 基本镜像电流源基本镜像电流源T1VCCiC1RT2IRiC2=IOvBE1 = vBE2 由于由于根据根据得知得知因此，称因此，称iC2是是iC1的镜像。的镜像。 参考电流参考电流由于由于因此因此（ 2） 当温度变化时，由于当温度变化时，由于 、VBE(on)的影响，的影响，IO热稳定性降低。热稳定性降低。 IO精度及热稳定性精度及热稳定性由由得知：得知：当当 较小时，较小时，IO与与IR之间不满足严格的镜像关系，之间不满足严格的镜像关系，IO精度降低。精度降低。 输出电阻输出电阻RO由由得知：得知：当考虑基宽调制效应时，当考虑基宽调制效应时，根据根据得得则则 VA除了降低除了降低IO精度外，还造成精度外，还造成RO较小，较小，IO恒流特性变差。恒流特性变差。RO= rce2q 减小减小 影响的影响的镜像电流源镜像电流源T1VCCiC1RT2IRIOiRET3 结构特点结构特点T1管管c c、b b之间插入一射随器之间插入一射随器T3。 电路优点电路优点减小分流减小分流 i ，提高，提高IO作为作为IR镜像的精度。镜像的精度。由图由图整理得整理得式中式中RO= rce2输出电阻输出电阻q 比例式镜像电流源比例式镜像电流源T1VCCiE1RT2IRIOR1R2iE2 结构特点结构特点两两管管射极串接不同阻值的电阻射极串接不同阻值的电阻。 电路优点电路优点RO增大，增大，IO恒流特性得到改善。恒流特性得到改善。由由（较大）（较大）得得当当时时得得式中式中q 微电流源微电流源T1VCCRT2IRIOR2iE2令比例镜像电流源中的令比例镜像电流源中的R1=0 。由由式中式中 根据集成工艺的要求，电阻根据集成工艺的要求，电阻R不易做太大，故前不易做太大，故前述电流源的述电流源的IO只能做到只能做到mA量级。量级。 得得输出电阻输出电阻电路优点：电路优点：可提供可提供 A量级的电流，且量级的电流，且RO大，精度高。大，精度高。 MOS镜镜像像电电流流源源与与三三极极管管基基本本镜镜像像电电流流源源结结构构相相似似，只是原参考支路中的电阻只是原参考支路中的电阻R被有源电阻被有源电阻T3取代。取代。T1VCCT2IRIOT3VSS若若T1 T2性能匹配，工作在饱和区性能匹配，工作在饱和区宽长比分别为宽长比分别为(W/l )1 、( W/l )2根据根据，得得其中其中q MOS镜像电流源（不要求）镜像电流源（不要求）4.5.3 4.5.3 有源负载差分放大器有源负载差分放大器 T1、T2构成的镜像电流源代替构成的镜像电流源代替RC4 。T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 电路组成：电路组成：T3、T4构成双端输入单端输出差放。构成双端输入单端输出差放。 电路特点：电路特点： 由镜像电流源知由镜像电流源知当差模输入时当差模输入时则差模输出电流则差模输出电流当共模输入时当共模输入时则共模输出电流则共模输出电流T1VCCiC3T2vi1T3T4IEEVEEiOiC4iC2vi2 性能分析：性能分析： 结论：结论：该电路不仅具有放大差模、抑制共该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。双端输出的增益。由于由于则则差模增益差模增益差模输入电阻差模输入电阻差模输出电阻差模输出电阻4.6 4.6 集成运算放大器集成运算放大器集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。集成运放是实现高增益放大功能的一种集成器件。 集成运放性能特点集成运放性能特点Av很大：（很大：（104 107 或或 80 140dB）Ri 很大：（几很大：（几k 105 M 或或 ）Ro很小：（几十很小：（几十 ）静态输入、输出电位均为零。静态输入、输出电位均为零。 集成运放电路符号集成运放电路符号反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端v- -v+ +vo o+- - 集成运放电路组成集成运放电路组成 由于实际电路较复杂由于实际电路较复杂 ，因此读图时，因此读图时，应根据电路组成，应根据电路组成，把整个电路划分成若干基本单元进行分析。把整个电路划分成若干基本单元进行分析。输入级输入级中间增益级中间增益级输出级输出级偏置电路偏置电路采用改进型采用改进型差分放大器差分放大器采用采用12级共发电路级共发电路 采用射随器或采用射随器或互补对称放大器互补对称放大器采用电流源采用电流源q F007 F007集成运放内部电路集成运放内部电路 输入级组成：输入级组成：由由T1、T3和和T2、T4组组成成的的共共集集共共基组合电路构成双入单出差放。基组合电路构成双入单出差放。T5、T6、T7组组成成的的改改进进型型镜镜像像电电流流源作源作T4管的有源负载。管的有源负载。T8、T9组组成成的的镜镜像像电电流流源源代代替替差差放放的公共射极电阻的公共射极电阻REE。输入级特点：输入级特点：改进型差放具有共模抑制比高、输改进型差放具有共模抑制比高、输入电阻大、输入失调小等特点，是入电阻大、输入失调小等特点，是集成运放中最关键的一部分电路。集成运放中最关键的一部分电路。中间级组成：中间级组成： T17构成共发放大器。构成共发放大器。 T13B、T12组成的镜像组成的镜像电流源作有源负载，代电流源作有源负载，代替集电极电阻替集电极电阻RC。电路特点：电路特点： 中间级是提供增益的主中间级是提供增益的主体，采用有源负载后，体，采用有源负载后，电压增益很高。电压增益很高。隔离级隔离级 ： T16管构成的射随器作管构成的射随器作为隔离级为隔离级 ，利用其高输，利用其高输入阻抗的特点，提高输入阻抗的特点，提高输入级放大倍数。入级放大倍数。输出级组成：输出级组成：T14与与T20组组成成甲甲乙乙类类互互补补对对称称放放大大器器。该该放放大大器器采采用用两两个个射射随随器器组组合合而而成。成。电路特点：电路特点：输输出出电电压压大大，输输出出电电阻阻小小，带带负负载载能能力力强强。过过载保护电路载保护电路 ：T15、R6保保护护T14管管，T21、T22、T24、R7保保护护T20管。管。正正常常情情况况保保护护电电路路不不工工作作，只只有有过过载载时时，保保护护电路才启动。电路才启动。隔离级隔离级 ：T23A管构成的有源负载射随器管构成的有源负载射随器作为作为隔离级隔离级，可提高中间级电，可提高中间级电压增益。压增益。T13A与与T12组成的镜像电流源作组成的镜像电流源作有源负载，代替有源负载，代替T23A的发射极的发射极电阻电阻RE。偏置电路偏置电路：偏偏置置电电路路一一般般包包含含在在各各级级电电路路中，采用多路偏置的形式。中，采用多路偏置的形式。T10、T11构构成成微微电电流流源源，作作为为整个集成运放的主偏置。整个集成运放的主偏置。电平位移电路电平位移电路 ：输输入入级级共共集集共共基基组组合合电电路路中中，采采用用极极性性相相反反的的NPN与与PNP管管进进行行电电平平位位移移。不不专专门门另另设设电电平位移电路。平位移电路。 将将上上述述单单元元电电路路功功能能综综合合起起来来可可见见，F007是是实现高增益放大功能的一种集成器件。实现高增益放大功能的一种集成器件。 它它具具有有高高Ri、低低Ro、高高Av、高高KCMR 、低低失失调调、零零输输入入时时零零输输出出等等特特点点，是是一一种种较较理理想想的的电电压压放大器件。放大器件。补充 功率放大器作用：作用：高效地实现能量变换和控制。高效地实现能量变换和控制。 种类：种类： 根据应用领域和处理对象不同根据应用领域和处理对象不同 (1) 功率放大电路：功率放大电路： 放大器的一类。用于通信、音放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。像等电子设备。 (2) 电源变换电路：电源变换电路： 对电源能量进行特定变换。用对电源能量进行特定变换。用于电源设备、电子系统、工业控制。于电源设备、电子系统、工业控制。1 功率放大器概述功率放大器概述 1.1 功率放大器功率放大器与其它放大器相比与其它放大器相比 相同点：相同点： 均在输入信号作用下，将直流电源的直流均在输入信号作用下，将直流电源的直流功率转换为输出信号功率。功率转换为输出信号功率。 不同点：不同点： 性能要求和运用特性不同。性能要求和运用特性不同。 一、功率放大器的性能要求一、功率放大器的性能要求1. 安全。安全。 输出功率大，管子大信号极限条件下运用。输出功率大，管子大信号极限条件下运用。 2. 高效率。高效率。 用用c 集电极效率集电极效率 (Collector Efficiency) 衡量转换效衡量转换效率：率： Po 输出信号功率输出信号功率 (Output Signal Power)；式中：式中：PD 电源提供的功率；电源提供的功率； PC 管耗管耗 (Power Dissipation)Po 一定一定，c 高高PD 小小PC 小小 可选可选 PCM 小小的的管子，以降低费用。管子，以降低费用。 3. 失真小。失真小。 输出功率越大，相应的动态电压电流越输出功率越大，相应的动态电压电流越大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用大，器件特性非线性引起的非线性失真也越大。除采用反馈技术外，还必须限制输出功率。反馈技术外，还必须限制输出功率。 作为作为放大器放大器，功率增益功率增益是重要的性能指标，但与上是重要的性能指标，但与上述述三个要求三个要求相比，相比，安全、高效和小失真安全、高效和小失真是是第一位第一位的。的。功功率增益率增益可用可用增加前置级的级数增加前置级的级数或或提高相应的增益提高相应的增益来来弥补弥补。 二、功率管的运用特点二、功率管的运用特点1. 功率管的运用状态功率管的运用状态 根据根据功率管功率管在一个信号周期内导通时间的不同，在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态功率管运用状态可分为可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类甲类、乙类、甲乙类、丙类等等多种。多种。功率管运用状态功率管运用状态通常靠通常靠选择静态工作点选择静态工作点来实现。来实现。 甲类：甲类：功率管在一个周期内导通功率管在一个周期内导通 (如小信号放大如小信号放大)。 乙类：乙类：功率管仅在半个周期内导通。功率管仅在半个周期内导通。 甲乙类：甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。管子在大于半个周期小于一个周期内导通。丙类：丙类：功率管小于半个周期内导通。功率管小于半个周期内导通。 2. 不同运用状态下的不同运用状态下的C管子的运用状态不同，相应的管子的运用状态不同，相应的Cmax 也不同。也不同。 减小减小 PC 可提高可提高C。 假设假设集电极瞬时电流和电压集电极瞬时电流和电压分别为分别为 iC 和和 vCE，则，则 PC 为为 讨论：讨论：若减少若减少 PC，则要减少，则要减少 iC vCE 途径途径 1：由由甲类甲类甲乙类甲乙类乙类乙类丙类丙类，减小管子，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大在信号周期内的导通时间，即增大 iC 0 的时间。的时间。 途径途径 2：使管子运用在开关状态使管子运用在开关状态 ( (又称丁类又称丁类) )；管子管子在在半个周期内饱和导通半个周期内饱和导通，另半个周期内截止另半个周期内截止。饱和导通饱和导通时，时，vCE vCE (sat) 很小，因此导通的半个周期内，瞬时管很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗耗 iC vCE 处在很小的值上。处在很小的值上。截止时，截止时，不论不论 vCE 为何值，为何值，iC 趋于趋于 0，iC vCE 也处在零值附近。结果也处在零值附近。结果 PC 很小，很小，C 显著增大。显著增大。 总结：总结：为提高集电极效率，为提高集电极效率，管子的运用状态管子的运用状态从从甲类甲类向乙类、丙类向乙类、丙类或或开关工作的丁类转变开关工作的丁类转变。但随着效率的提。但随着效率的提高，高，集电极电流波形失真严重集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。电路中需采取特定措施。1.2 电源变换电路电源变换电路1.3 功率器件功率器件 功率管功率管是是功率放大电路的关键器件，功率放大电路的关键器件，如何选择功率如何选择功率管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的管的运用状态，并保证它们安全工作是需要共同解决的问题。为此，必须问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。工作区。 双极型功率晶体管的安全工作双极型功率晶体管的安全工作受到受到三个极限参数的三个极限参数的限制：限制： (1) 集电极最大允许管耗集电极最大允许管耗 PCM。还与散热条件密切。还与散热条件密切相关相关 (2) 集电极击穿电压集电极击穿电压 V(BR)CEO(3) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 以上与以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。有关。一、功率管散热和相应的一、功率管散热和相应的 PCM 耗散在功率管中的功率耗散在功率管中的功率 PC 主要消耗在集电结上，主要消耗在集电结上，造成集电结发热，结温升高。造成集电结发热，结温升高。若集电极的散热条件良好，若集电极的散热条件良好，集电结上的热量很容易散发集电结上的热量很容易散发到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到到周围空气中去，则集电结就会在某一较低温度上达到热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热平衡，此时集电结上产生的热量等于散发到空气中的热量。热量。反之，散热条件不好，反之，散热条件不好，集电结就会在更高的温度集电结就会在更高的温度上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。上达到热平衡，甚至产生热崩而烧坏管子。 集电结结温集电结结温 (Tj) 升高升高 集电极电流集电极电流 (iC) 增大增大 PC 增大增大 Tj 随之升高随之升高 iC 增大增大 PC 增大增大 Tj 升高升高，如此反复，直至，如此反复，直至 Tj 超过超过集电结最高允许温度集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的，导致管子被烧坏的一种恶性一种恶性循环现象。循环现象。热崩热崩 (Thermal runaway)： 金属底座又金属底座又与管壳相连的与管壳相连的结构。此外，结构。此外，金属底座还加金属底座还加装金属散热器装金属散热器( (如图如图) )(a) (b) 功率管底座上加装散热器功率管底座上加装散热器 (c) 相应的热等效电路相应的热等效电路 实践中，为了利于集电结的散实践中，为了利于集电结的散热，以提高热，以提高 PCM，双极型功率管都，双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上，采用集电极直接固定在金属底座上， 散热器：散热器：翼状结构，以增大散热面积。面积越大，翼状结构，以增大散热面积。面积越大，厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。厚度越厚，材料的导热率越高，散热效果越好。 二、二次击穿二、二次击穿 要保证功率管安全工作，要保证功率管安全工作，除满足由除满足由 PCM、ICM 和和V(BR)CEO 所规定的安全工作条件外，还要求所规定的安全工作条件外，还要求不发生二次不发生二次击穿击穿。 二次击穿二次击穿 (Secondary Breakdown)：当集电极电压当集电极电压超过超过 V(BR)CEO，会引起击穿，只要外电路限制击穿后，会引起击穿，只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于的电流，管子就不会损坏，待集电极电压小于V(BR)CEO 后，管子恢复正常工作。如上述击穿后，电后，管子恢复正常工作。如上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，即为电流迅速增大的现象，即为二次击穿二次击穿。 二次击穿的后果：二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起导致过热点的晶体熔化，要引起vCE下降下降，iC 剧增剧增，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，破坏性的。破坏性的。 发生条件：发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称它在高压低电流时发生，相应的功率称为为二次击穿耐量二次击穿耐量 PSB。 功率放大电路功率放大电路使用使用双双极型功率晶体管极型功率晶体管外，还使外，还使用用功率功率 MOS 管管，绝缘栅绝缘栅双极型功率管双极型功率管。