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1、4.5 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IO。,交流工作时，具有很高输出电阻RO，可作有源负载使用。,电流源电路特点：,对电流源电路要求：,直流状态工作时，要求IO精度高、热稳定性好。,交流状态工作时，要求RO大（理想情况 RO）。,利用iB恒定时，iC接近恒流特性而构成。,电流源电路原理：,4.5.1 镜像电流源电路,假设T1、T2两管严格配对,基本镜像电流源,根据,得知,因此，称iC2是iC1的镜像。,参考电流,由于,因此,（2）,当温度变化时，由于、VBE(on)的影响，IO热稳定性降低。,IO精度及热稳定性,当 较小时，IO与IR之间不满足严格的镜像关系，IO精
2、度降低。,输出电阻RO,当考虑基宽调制效应时，根据,得,则,VA除了降低IO精度外，还造成RO较小，IO恒流特性变差。,RO=rce2,减小 影响的镜像电流源,结构特点,T1管c、b之间插入一射随器T3。,电路优点,减小分流 i，提高IO作为IR镜像的精度。,由图,整理得,式中,比例式镜像电流源,结构特点,两管射极串接不同阻值的电阻。,电路优点,RO增大，IO恒流特性得到改善。,得,得,式中,微电流源,令比例镜像电流源中的R1=0。,由,式中,根据集成工艺的要求，电阻R不易做太大，故前述电流源的IO只能做到mA量级。,得,输出电阻,MOS镜像电流源与三极管基本镜像电流源结构相似，只是原参考支路
3、中的电阻R被有源电阻T3取代。,得,其中,MOS镜像电流源（不要求）,4.5.3 有源负载差分放大器,T1、T2构成的镜像电流源代替RC4。,电路组成：,T3、T4构成双端输入单端输出差放。,电路特点：,由镜像电流源知,当差模输入时,则差模输出电流,当共模输入时,则共模输出电流,性能分析：,结论：,该电路不仅具有放大差模、抑制共模的能力，在单端输出时，还获得双端输出的增益。,由于,则,差模增益,差模输入电阻,差模输出电阻,4.6 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。,集成运放性能特点,Av很大：（104 107 或 80 140dB）,Ri 很大：（几k 105 M 或
4、）,Ro很小：（几十）,静态输入、输出电位均为零。,集成运放电路符号,集成运放电路组成,由于实际电路较复杂，因此读图时，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。,F007集成运放内部电路,输入级组成：由T1、T3和T2、T4组成的共集共基组合电路构成双入单出差放。T5、T6、T7组成的改进型镜像电流源作T4管的有源负载。T8、T9组成的镜像电流源代替差放的公共射极电阻REE。输入级特点：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，是集成运放中最关键的一部分电路。,中间级组成：T17构成共发放大器。T13B、T12组成的镜像电流源作有源负载，代替集电极电阻RC。电路特
5、点：中间级是提供增益的主体，采用有源负载后，电压增益很高。隔离级：T16管构成的射随器作为隔离级，利用其高输入阻抗的特点，提高输入级放大倍数。,输出级组成：T14与T20组成甲乙类互补对称放大器。该放大器采用两个射随器组合而成。电路特点：输出电压大，输出电阻小，带负载能力强。过载保护电路：T15、R6保护T14管，T21、T22、T24、R7保护T20管。正常情况保护电路不工作，只有过载时，保护电路才启动。,隔离级：T23A管构成的有源负载射随器作为隔离级，可提高中间级电压增益。T13A与T12组成的镜像电流源作有源负载，代替T23A的发射极电阻RE。,偏置电路：偏置电路一般包含在各级电路中，
6、采用多路偏置的形式。T10、T11构成微电流源，作为整个集成运放的主偏置。,电平位移电路：输入级共集共基组合电路中，采用极性相反的NPN与PNP管进行电平位移。不专门另设电平位移电路。,将上述单元电路功能综合起来可见，F007是实现高增益放大功能的一种集成器件。它具有高Ri、低Ro、高Av、高KCMR、低失调、零输入时零输出等特点，是一种较理想的电压放大器件。,补充 功率放大器,作用：高效地实现能量变换和控制。,种类：,根据应用领域和处理对象不同,(1)功率放大电路：,放大器的一类。用于通信、音像等电子设备。,(2)电源变换电路：,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。,1
7、 功率放大器概述,1.1 功率放大器,与其它放大器相比,相同点：,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。,不同点：,性能要求和运用特性不同。,一、功率放大器的性能要求,1.安全。,输出功率大，管子大信号极限条件下运用。,2.高效率。,用c 集电极效率(Collector Efficiency)衡量转换效率：,Po 输出信号功率(Output Signal Power)；,式中：,PD 电源提供的功率；,PC 管耗(Power Dissipation),Po 一定，c 高PD 小PC 小,可选 PCM 小的管子，以降低费用。,3.失真小。,输出功率越大，相应的动态电压电流越
8、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。,作为放大器，功率增益是重要的性能指标，但与上述三个要求相比，安全、高效和小失真是第一位的。功率增益可用增加前置级的级数或提高相应的增益来弥补。,二、功率管的运用特点,1.功率管的运用状态,根据功率管在一个信号周期内导通时间的不同，功率管运用状态可分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等多种。,功率管运用状态通常靠选择静态工作点来实现。,甲类：功率管在一个周期内导通(如小信号放大)。,乙类：功率管仅在半个周期内导通。,甲乙类：管子在大于半个周期小于一个周期内导通。,丙类：功率管小于半个周期内导通。,2.不同运用状态下的C,管
9、子的运用状态不同，相应的Cmax 也不同。,减小 PC 可提高C。,假设集电极瞬时电流和电压分别为 iC 和 vCE，则 PC 为,讨论：若减少 PC，则要减少 iC vCE,途径 1：由甲类甲乙类乙类丙类，减小管子在信号周期内的导通时间，即增大 iC 0 的时间。,途径 2：使管子运用在开关状态(又称丁类)；管子在半个周期内饱和导通，另半个周期内截止。饱和导通时，vCE vCE(sat)很小，因此导通的半个周期内，瞬时管耗 iC vCE 处在很小的值上。截止时，不论 vCE 为何值，iC 趋于 0，iC vCE 也处在零值附近。结果 PC 很小，C 显著增大。,总结：为提高集电极效率，管子的
10、运用状态从甲类向乙类、丙类或开关工作的丁类转变。但随着效率的提高，集电极电流波形失真严重，为实现不失真放大，在电路中需采取特定措施。,1.2 电源变换电路,1.3 功率器件,功率管是功率放大电路的关键器件，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问题。为此，必须首先了解功率器件的极限参数及安全工作区。,双极型功率晶体管的安全工作受到三个极限参数的限制：,(1)集电极最大允许管耗 PCM。还与散热条件密切相关,(2)集电极击穿电压 V(BR)CEO,(3)集电极最大允许电流 ICM,以上与功率管的结构，工艺参数，封装形式有关。,一、功率管散热和相应的 PCM,耗散在功率管中的
11、功率 PC 主要消耗在集电结上，造成集电结发热，结温升高。,若集电极的散热条件良好，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。反之，散热条件不好，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。,集电结结温(Tj)升高 集电极电流(iC)增大 PC 增大 Tj 随之升高 iC 增大 PC 增大 Tj 升高，如此反复，直至 Tj 超过集电结最高允许温度 TjM，导致管子被烧坏的一种恶性循环现象。,热崩(Thermal runaway)：,金属底座又与管壳相连的结构。此外，金属底座还加装金属散热器(如图
12、),(a)(b)功率管底座上加装散热器(c)相应的热等效电路,实践中，为了利于集电结的散热，以提高 PCM，双极型功率管都采用集电极直接固定在金属底座上，,散热器：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。,二、二次击穿,要保证功率管安全工作，除满足由 PCM、ICM 和V(BR)CEO 所规定的安全工作条件外，还要求不发生二次击穿。,二次击穿(Secondary Breakdown)：当集电极电压超过 V(BR)CEO，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V(BR)CEO 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，集电极电流迅速增大的现象，即为二次击穿。,二次击穿的后果：导致过热点的晶体熔化，要引起vCE下降，iC 剧增，功率管尚未发烫就已损坏。是不可逆，破坏性的。,发生条件：它在高压低电流时发生，相应的功率称为二次击穿耐量 PSB。,功率放大电路使用双极型功率晶体管外，还使用功率 MOS 管，绝缘栅双极型功率管。,
