一、BJT 电流源

电压源在实际电路中非常熟悉,简单的一个电池就能提供一个稳定的电压源,但如何在电路中实现电流源呢?

电流可以做直流时的偏置,也可以做交流状态的有源负载。

1. 双晶体管电流源(电流镜)

工作在正偏区

电路分析

为完全一致的三极管,由

  • 的「镜像电流」
  • 此时可以认为是一个常数,而与的大小无关。由此根据参考电流的大小,构建了一个「恒流源」

求输出电阻

根据输出电阻定义,对右边的电流源进行加上一个交流分量电压,来求对应产生的交流电流分量

但由于恒流源的作用下,几乎不变,导致,因此有

通常来说, 的数量级在

若考虑厄利电压

2. 改进电流源

在参考电源端再加入一个 BJT 管,如下图

对于

因此

此时的参考电流为

可以解得电流源的输出电流为

对比之前的普通的 BJT 恒流源的输出电流为 ,由于,因此改进后的电流源的输出电流更加接近参考电流,精度更高。

观察曲线也可以发现,三管恒流源的输出电流更稳定

参考电流可以表示为

与双管电流源类似,

3. Widlar 电流源

如果要用双管电流源提供一个很小的电流,比如 ,那在 的工作电压下,为了实现这么小的参考电流,参考电流支路的电阻需要满足:

这样大的电阻很难找。于是 Widlar 对双管电流进行了改进,仅仅是在输出端加了一个电阻 ,这样对于电路的下半部分的左右两端就存在了「不平衡」

都非常小,且有关系

具体推导见 Naeman 书 P81

电流源电阻越大越好,而 Widlar的输出电阻显著变大了很多!

如何求参考电流?路径上所有的电压值和电阻值都知道,就很好算了。从电源电压找到负电源电压,沿路经过一系列 结,除以参考电阻即可

4. 多晶体管电流源

根据基础的 BTJ 电流源的工作原理,可以以此设计多个并联的电流源

提供所有的基极电流,使得

有关系

5. 复合电流源

如何求电流源的参考电流?从电源电压找到负电源电压,沿路经过一系列结,除以参考电阻即可

如图,沿着蓝色线可以找到一系列电压,可以求得

二、MOS 管电流源

1. 基础电流源

把 BJT 管换成两个完全一样的 MOS 管,从而构成 MOS 管电流源。让两个 MOS 管均工作在饱和区

电路分析

对于

得到

而对于 同样有

代入表达式可得

若两个 MOS 管为理想晶体管,且 ,上式化为

若两个 BJT 管宽长比不同,但本征因子不变,则

输出电阻

看回来的漏源电阻

IC 设计

由于在 IC 设计中没法设计电阻,因此可以引入一个替代电阻

由于

而又根据一路上的关系有

只需要满足

(基本上肯定是满足的)

2. 多 MOS 管电流源

与多晶体管电流源原理类似

三、有源负载

电流源可以做偏置,也可以充当一个「电阻」,这是一个需要供电的负载,称之为有源负载。

如上图,部分充当电流源, 充当输入信号的共发射极放大器

直接分析 的放大倍数可得

此时等效交流输出阻抗 ,电阻非常大,视为开路,因此放吧飞书可以化简为

以上电路可以等效为一个直流电流源并联一个电阻,而电阻 为一个交流输出电阻,可以提高整个电路的增益。

四、小信号分析

将多晶体管放大电路展开为小信号模型可以得到

为整个恒流源的输出电阻,