三极管电流源电路

三极管电流源
电流源是模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，如图1所示。
对电流源的主要要求是：
（1）能输出符合要求的直流电流Io。
（2）交流电阻尽可能大。

图1 三极管电流源电路图

三极管射极偏置电路由Vcc、R_b1、R_b2和Re组成，当Vcc、R_b1、R_b2、Re确定之后，基极电位VB固定（Ib一定），可以推知Ic基本恒定。从三极管的输出特性曲线可以看出：三极管工作在放大区时，Ic具有近似恒流的性质。当Ib一定时，三极管的直流电阻，V_CEQ一般为几伏，所以RCE不大。
交流电阻为，为几十千欧至几百千欧。
1 MOS单管电流源
耗尽型MOS管组成单管电流源，如图2所示。
由交流等效电路图3得：

≈
在分立元件电路中和某些模拟集成电路中，常用JFET接成的电流源。


图2耗尽型MOS管电流源 图3交流等效电路

2基本镜像电流源
基本镜像电流源电路如图4所示。

图4 基本镜像电流源电路

T1、T2参数完全相同（即β1=β2，I_CEO1=I_CEO2）。
原理：因为V_BE1=V_BE2，所以I_C1=I_C2

I_REF——基准电流：
推出，当β2时，I_C2=I_C1≈I_REF≈
优点：
（1）I_C2≈I_REF，即I_C2不仅由I_REF确定，且总与IREF相等。
（2）T1对T2具有温度补偿作用，I_C2温度稳定性能好（设温度增大，使I_C2增大，则I_C1增大，而I_REF一定，因此I_B减少，所以I_C2减少）。
缺点：
（1）I_REF（即I_C2）受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定。
（2）适用于较大工作电流（mA数量级）的场合。若要I_C2下降，则R就必须增大，这在集成电路中因制作大阻值电阻需要占用较大的硅片面积。
（3）交流等效电阻Ro不够大，恒流特性不理想。
（4）I_C2与I_REF的镜像精度决定于β。当β较小时，I_C2与I_REF的差别不能忽略。
3. 带有缓冲级的基本镜像电流源（改进电路一）

图5 基本镜像电流源电路

图5是带有缓冲级的基本镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点（4）进行的改进，两者不同之处在于它增加了三极管T3，其目的是减少三极管T1、三极管T2的IB对IR的分流作用，提高镜像精度，减少β值不够大带来的影响。

此时镜像成立的条件为β1(β3+1)2，这条件比较容易满足。或者说，要保持同样的镜像精度，允许T的β值相对低些。
4. 比例电流源（改进电路二）
图6是带有发射极电阻的镜像电流源，它是针对基本镜像电流源缺点（3）进行的改进，其中Re₁=Re₂，两管输入仍有对称性，所以：

图6 镜像电流源及其等效电路

≈
求T2的输出电阻Ro：



≈
输出阻值较大，所以这种电流源具有很好的恒流特性。温度稳定性比基本的电流源好得多。
若此电路Re₁不等于Re₂，则：

V_BE1+I_E1R_e1=V_BE2+I_E2R_e2

（式中，I_E1即I_R，I_E2即Io）

Io≈
参数对称的两管在I_C相差10倍以内时，|V_BE1-V_BE1|60mV。
所以，如果Io与I_R接近，或I_R较大，则Δ_VBE可忽略。
≈
即只要合理选择两T射极电阻的比例，可得合适的Io、Ro。因此，此电流源又称为比例电流源。
5 微电流源
有些情况下，要求得到极其微小的输出电流I_C2，这时可令比例电流源中的Re₁=0，如图7即可以在Re₂不大的情况下得到微电流I_C2。
原理：当I_R一定时，Io可确定为：

Io≈
可见，利用两管基-射电压差Δ_VBE可以控制Io。由于Δ_VBE的数值小，用阻值不大的Re₂即可得微小的工作电流——微电流源。

微电流源特点：

图7 微电流源电路
（1）T1，T2是对管，基极相连，当Vcc、R、Re₂已知时，≈（略去VBE），当V_BE1、V_BE2为定值时，也确定了。
（2）当VCC变化时，I_REF、Δ_VBE也变化，由于Re₂ 的值一般为千欧级，变化部分主要降至Re₂ 上，即ΔV_BE2ΔV_BE1，则I_C2的变化远小于I_REF的变化。因此电源电压波动对工作电流I_C2影响不大。
（3）T1管对T2管有温度补偿作用，I_C2的温度稳定性好。总的说来，电流“小”而“稳”。小——R不大时I_C2可以很小（微安量级）。稳——R_e2（负反馈）使恒流特性好，温度特性好，受电源变化影响小。进一步，电流的数学关系为：

IoR_e2=V_BE1-V_BE2

而IC≈

若
则I_C2 Re = 26ln10≈60mV
即电流每增加10倍，I_C2 R_e总是增加60mV。因此得到电流每增加10倍，Re上的电压增加60mV的简单数学关系式，使计算十分方便。
思考：若要求提供10µA的输出电流，使用Vcc=6V的电源，R=19kΩ，你如何设计这个电流源？
答案

，

6 串接电流源
为获得更高的输出电阻，利用T3，T4组成的基本电流源代替Re₁，Re₂，主要是用T4的输出电阻代替Re₂ 。由图8得：

≈


再由电路图及等效电路图9可求出输入电流Io及输出电阻Ro。


图8串接电流源电路图 图9 等效电路图

Ro≈≈

7 电流源的主要应用
前面曾提到，增大Rc可以提高共射放大电路的电压增益，但是，Rc不能很大，因为在集成工艺中制造大电阻的代价太高，而且，在电源电压不变的情况下，Rc越大，导致输出幅度越小。那么，能否找到一种元件代替Rc，其动态电阻大，使得电压增益增大，但静态电阻较小，因而不致于减小输出幅度呢？自然地，可以考虑晶体管恒流源。由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特点，在模拟集成电路中较为广泛地把它作负载使用——有源负载，如图10所示。
其等效电路如图11所示。


图10镜像电流源作为T1集电极Rc 图11 等效电路图

从等效电路可知，电流源提供了比较大的Rc，这样，可使AV达到甚至更高。

电流源也可用作射极负载（Re）