10. 双晶体管电路·多级放大电路
本文最后更新于 2024年12月18日 上午
双晶体管电路
所有模拟电路都是通过使用数量非常有限的基本结构模块来构建的,因此,对这些简单模块的透彻了解对于深入了解更复杂的电路原理至关重要,这就是为什么将它们分别考虑并进行详细分析的原因。我们已经对单晶体管电路有了全面的了解,接下来我们将专注于电流镜和差分对的探讨,这些构成了所有模拟设计的基石。
基本的双晶体管配置有:电流镜(Current Mirror)和差分对(Difference
Pair)两种。
大部分模拟电路在集成电路设计中都可以通过数个多级的如上所示的两个基本电路而构成。
参考资料:https://www.icfedu.cn/archives/13594 【网站已失效】
电流镜
这个电路中,左边的晶体管
电流分析
那么可以发现:
通常认为
带基极电流补偿的电流镜
由于晶体管的存在,此时:
基本增益单元
在集成电路设计中第一种方法无法精准控制电流的大小,因此通常采用第二种方法来获得
在小信号模型中对其进行分析,其开环增益应该为:
电流镜在集成电路中可以为其他晶体管电路提供稳定的直流电流,在集成电路中常作为直流电流源使用。在小信号模型分析中,电流镜电路和直流电流源一样,被视为开路。
达灵顿对
达灵顿对(Darlington
pair)是由两个(甚至多个)双极性晶体管组成的复合结构,通过这样的结构,经第一个双极性晶体管放大的电流可以进一步被放大。这样的结构可以提供一个比其中任意一个双极性晶体管高得多的电流增益。在使用集成电流芯片的情况里,达灵顿晶体管可以使得芯片比使用两个分立晶体管元件占用更少的空间,因为两个晶体管可以共用一个集极。
达灵顿对的电流增益可以表示为:
现在,达灵顿晶体管产品的典型电流增益可以达到1000甚至更高,因此只需要很小的基极电流就可以让晶体管导通。然而,这样高的电流增益也带来了一些缺点。
达灵顿对的问题在于通常
解决方法是在
差分对
差分对是另一种常见于集成电路设计的基本结构,由于差分电路输出的结果是两个输入信号的差值,两个输入信号中携带的噪音在做差时很容易减小甚至是被除去,因此差分电路对于噪音和干扰的鲁棒性强,在集成电路中得到广泛的应用。
最基本的差分对结构如下图所示,差分对电路由两个完全相同的晶体管
差分对电路中的两基极电压
差分对的正常模式
在正常模式下,
差分对的差分模式
当用于设置晶体管工作状态的
在差分模式下,其中处于截止状态的晶体管的输出电压:
差分放大电路
差分放大电路是利用差分对性质构成的放大电路,其输入电压为两个晶体管的基极电压信号,输出两个晶体管集电极电压的差值。
大信号模型
此时:
令
在大信号模型中找到
小信号模型
小信号模型基于大信号模型中的线性区域进行分析,根据大信号模型中得出的结论:
差分增益
通过之前的分析可以得到两个输出电压:
小信号模型的差分增益
其输入电阻为:
共模抑制比
事实上,差分对的两个集电极区会有噪声和干扰,这些噪声和干扰最终归结于电路中
实际上差分对在正常模式下的两边的输出电压由于
定义共模抑制比为其差分增益与共模增益之比:
多极放大器
为了尽可能的减少电阻、电容带来的不稳定性,在集成电路设计中通常使用多级的电流镜、差分对组成的电路实现电流信号的多级放大。
下图所示的是一个多级电流放大电路:
在上图的电路中,
第一级由
第二级由
第三级由
第四级由