电流源与多级放大器设计优化

【实验教会我】

1.镜像电流源分析、设计与优化；

2.多级放大器的基本概念：组态选择、耦合方式、指标性能计算；

3.多级放大器的分析和设计方法；

4.电子电路设计流程；

5.使用Multsim进行直流扫描仿真；

6.使用Multisim叠加查看多个仿真波形；

7.使用Pocket Lab测试放大器输入、输出电阻的方法。

【实验器材表】

【背景知识回顾】

本实验涉及的理论知识包括电流源与多级放大器。

1）多级放大器中的组态的选择

对于指定的电路设计要求，单一的基本组态放大器往往不能同时满足所有要求，如就输入和输出电阻而言，共基放大器接近于理想的电流放大器，不过，它的电流增益小于1，但接近于1，故有电流接续器之称，即可将输入端电流几乎不衰减地接续到输出端。而共集放大器接近于理想电压放大器，不过，它的电压增益小于1，但接近于1，故有电压跟随器之称，即可将输入端电压几乎不衰减地跟随到输出端。共发放大器虽有电压增益和电流增益，但它的输入和输出电阻却与理想电压或电流放大器相差颇大。但是如果根据不同组态放大器各自的特点进行不同的组合，取得优势互补就有可能达到所要求的性能。

多级放大器是由多个单级放大器级联而成，前后级的关系是，前一级的输出是后一级的信号源，后一级的输入就作为前一级的负载。因此，要特别注意前后级的级联负载效应，该效应将会影响原先单级放大器的性能。如一般采用共发放大器提供电压或电流增益，共集电路往往作为两级共发放大器之间的隔离级（又称为缓冲级），利用共集电路大的输入电阻，作为前级共发电路的输出负载，可以有效地提高前级共发电路的电压增益。

2）多级放大器中的耦合方式

实际电子系统中存在着以下3种连接：换能器与第一级放大器之间的连接，级与级之间的连接，最后一级放大器与输出负载（例如扬声器）之间的连接。

（1）放大器与换能器的连接

各种换能器都可等效为带有信号源内阻的电压源或电流源。在组成放大器时，换能器是放大器的输入信号源，放大器就是换能器的负载。对它们的要求是有效地将换能器的输出信号（功率、电压或电流）加到放大器输入端，且换能器的接入不影响放大器的静态工作点。为了实现这个要求，一般采用电容耦合电路。要求电容的取值足够大，在直流时将换能器与放大器偏置电路隔断。在信号频率上，其容抗远远小于放大器的输入阻抗，可近似看作短路，不影响信号的传输。因此该电容称作隔直或耦合电容。

（2）级间连接

级与级之间的连接（或耦合）有两种方式：一种是具有隔直流作用的连接；另一种是直接连接。隔直流连接时，各级直流工作点由本级偏置电路设定，不受相邻级的影响。前级的输出信号则通过电容或者变压器加到下级放大器的输入端。但是这类电路由于它们的隔直流作用，对于直流信号和缓慢变化的信号无法放大，对放大器的频率响应有影响。直接连接又称直接耦合，是一种前后级直接连接的耦合方式。在这种耦合方式中，不仅信号直接从前级传送到后级，直流工作点也是相互影响共同决定的。为了解决前后级之间的电平配置，必须在某些级间接入电平位移电路，这种电路的作用是将不断提高的静态电位下移到较低电位上，同时，不影响信号的传输。

3）多级放大器的性能指标计算

多级级联放大器的电压增益为各单级放大器电压增益的连乘积。多级放大器的输入电阻取决于第一级，输出电阻由最后级决定。后级放大器的输入电阻等效为前级放大器的负载；而前级放大器的输出电压源等效为后级放大器的输入信号源。因此，在计算各单级放大器指标时必须考虑级联放大器之间的影响。

4）镜像电流源

电流源电路是提供恒定电流的一类电子线路，镜像电流源及其改进型电路是目前应用最广的电流源电路。

对电流源电路的要求是：提供电流IO，且其值在外界环境因素（温度等）变化时力求维持稳定不变；当其两端电压变化时具有保持电流IO恒定不变的恒流特性，或者说，电流源电路的交流内阻Ro趋于无穷。

（1）双极性晶体管基本镜像电流源电路

图3-6-1　双极性晶体管基本镜像电流源电路

图3-6-1是镜像电流源的基本电路。图中，T1和T2是两个性能上严格配对的晶体三极管。其中，T1管的集电极和基极相连，接成二极管，且由VCC通过R提供电流IR。T2管的集电极电流即为电流源提供的电流Io=iC2。该电路中的Ro显然就是T2管的输出电阻rce2，即

（2）比例式镜像电流源电路

实际应用中，经常需要IO与IR成特定比例关系的镜像电流源电路。实现这种比例关系的电路可以从两方面着手，一是改变两管的发射结面积，二是在两管发射极上串接不同阻值的电阻，如图3-6-2所示。由

图可得如下等式：

vBE1+iE1R1=vBE2+iE2R2

图3-6-2　比例式电流源电路

若IS1=IS2=IS，且忽略基区宽度调制效应，设定iC1对iC2的比值不太大，当β足够大时，则有

其中

可见，改变两电阻的比值，就可得到IO对IR的不同比值关系。

电路的输出交流电阻Ro为

显然，比例镜像电流源的输出交流电阻大于基本镜像电流源电路。表明它具有更优良的恒流特性。

（3）微电流源电路

在实际应用中，还需要一种能提供微安量级电流的电流源电路。采用图3-6-1和图3-6-2所示电路很难实现。因为要求的电阻很大，在集成工艺中，需要很大的芯片面积。因此，实际电路中，一般采用如图3-6-3所示的电路。由图可推得如下公式：

图3-6-3　微电流源电路

（4）场效应管基本镜像电流源电路

在图3-6-1所示镜像电流源的基本电路中，用N沟道MOS管取代晶体三极管，便构成了MOS管镜像电流源电路，如图3-6-4所示。若两管性能匹配，工作在饱和区，宽长比分别为（W/l）1和（W/l）2，则在忽略沟道长度调制效应的条件下，

图3-6-4　场效应管基本镜像电流源电路

（5）级联型电流源电路

将如图3-6-4所示的基本镜像电流源相级联而构成的电路称为级联型电流源电路，如图3-6-5所示。级联电路强制保持T2管的vDS2接近于T1管的vDS1。这样，不仅减小了iD1转移到iD2时因沟道长度调制效应而引入的误差，而且还使IO几乎与外加电压的变化无关。前者提高了IO的精度，后者改进了电流源的恒流特性，即增大了Ro。

图3-6-5　级联型电流源电路

图3-6-6　威尔逊电流镜

（6）威尔逊电流镜

图3-6-6给出了用N沟道管实现的威尔逊电流镜电路。威尔逊电流镜是利用反馈改进性能的电流源电路。由图可见，若因外电路电压变化而引起IO变化，例如，IO增大，则通过T2管的电流也增大，由T1和T2的镜像关系可知，vGS1=vGS2也将增大，如果参考电流IR不变，则vDS1减小，结果使加到T3管的栅极电压减小，从而阻止了IO的增加，使IO的恒流特性得以改进。

【背景知识小考查】

考查知识点（1）：微电流源电路

根据图3-6-7所示电路结构设计微电流源电路，要求IO=10μA。请写出设计过程，并将设计的R1、R2值填入表3-6-3中。

图3-6-7　微电流源电路

考查知识点（2）：单级和多级放大器

在图3-6-8所示电路中，双极型晶体管2N3904的β≈120，VBE（on）=0.7 V。根据实验3.2中的直流工作点，计算该单级放大器的电压增益Av，填入表3-6-5（CC1，CC2和CE1均可视为短路电容）中。

图3-6-8　单级放大器

如果将这样的两级放大器直接级联，如图3-6-9所示，是否可以实现Av总=Av×Av=的两级放大器呢？请仔细思考后写下你的想法。

图3-6-9　两级直接级联放大器

【一起做仿真】

1）镜相电流源

（1）基本镜像电流源

在Multisim中搭建如图3-6-10所示基本镜像电流源电路，测试输出电流随输出电压的变化和电流源的输出电阻。

图3-6-10　基本镜相电流源电路

仿真设置：依次点击Simulate→Analyses→DC sweep…，在弹出窗口中（如图3-6-11）选择分析参数的Source为电源V2，设定扫描的Start value（起始值）、Stop value（终止值）和Increment（步进值）；在Output中选择I（Q4[IC]）作为输出观察，如图3-6-12所示，点击Simulate，进行直流扫描，获得如图3-6-13所示的直流扫描图。

结果查看：在直流扫描图中，读出图中当V2=1 V和V2=5 V时的电流，并求出其差值和变化百分比，填入表3-6-1。其中变化百分比=（大电流-小电流）/小电流。

图3-6-11　DCsweep扫描窗口设置

图3-6-12　DCsweep输出设置

仿真设置：依次点击Simulate→Analyses→AC analysis…

结果查看：读取低频时的V（2）/I（Q4[IC]），即为电流源输出电阻，填入表3-6-1。

表3-6-1　

采用温度扫描仿真，观察电流源输出电流和温度的关系，填入表3-6-2。

表3-6-2　

图3-6-13　DC sweep扫描结果

（2）比例式镜相电流源(www.xing528.com)

在Multisim中搭建如图3-6-14所示1∶1比例式镜像电流源电路，采用与基本镜像电流源相同的仿真方法，测试输出电流随输出电压的变化情况和电流源输出电阻。将测试结果填入表3-6-1。

注：为了与基本电流源对比，该电路调整了参考电流支路电阻，以保证与图3-6-10电路的参考电流基本相等。

图3-6-14　比例式镜像电流源

将基本镜像电流源和比例式镜像电流源输出电流与电压变化的仿真结果重叠在一张图上对比查看。

结果查看：点击Grapher View窗口中的菜单Graph→Overlay Traces…，弹出如图3-6-15所示的图形选择窗口。选择需要同图对比显示的另一次DC Sweep结果，得到两次仿真结果的对比图如图3-6-16所示。

图3-6-15　选择图线窗口

图3-6-16　叠加多个图形显示窗口

对比基本镜相电流源电路和比例式镜像电流源电路的数据和仿真图形，请说明在参考电流和镜像比例基本相同的情况下（1∶1镜像），哪种电流源输出恒流效果更好？为什么？

（3）微电流源仿真

表3-6-3　微电流源设计值

在Multisim中搭建“背景知识小考查”中设计好的微电流源电路，并仿真其输出电流和电压的关系，填入表3-6-4。

表3-6-4　

2）多级放大器

（1）根据图3-6-8所示，在Multisim中搭建单级放大电路。

仿真设置：依次点击Simulate→Analysis→AC Analysis…

结果查看：在弹出的波形窗口中，读出该放大器中频增益值，填入表3-6-5中。

表3-6-5　单级放大器增益

（2）根据图3-6-9所示电路，在Multisim中采取直接级联的方式搭建两级放大电路。

仿真设置：依次点击Simulate→Analysis→AC Analysis…

结果查看：在弹出的波形窗口中，读出第一级、第二级和总电压增益Av1、Av2、Av，填入表3-6-6中。

表3-6-6　直接级联两级放大器增益仿真值

根据仿真结果分析，两级放大器直接级联后是否实现Av总=Av×Av=Av2，与预习中的思考是否吻合？请思考后用理论分析与仿真相结合的方法来确定两级放大器直接级联后的工作情况。

（3）根据图3-6-17所示电路，将两级放大器采用电容耦合，在Multisim中搭建耦合后的两级放大电路。

仿真设置：依次点击Simulate→Analysis→AC Analysis…

结果查看：在弹出的波形窗口中，读出第一级、第二级和总电压增益Av1、Av2、Av，填入表3-6-7中。

表3-6-7　电容耦合级联两级放大器增益仿真值

图3-6-17　电容耦合级联两级放大器

根据仿真结果分析，采用电容耦合级联后，各级放大器的增益与单级放大器相比有何变化？两级放大器电容耦合级联后是否实现Av总=Av×Av=A2v？为什么？请思考后用理论分析验证仿真结果。

【设计大挑战】

一个完整的电子电路设计流程大致应包含以下阶段：理论分析、电路结构选型和理论计算；仿真验证；搭试硬件；根据测试设备提出测试方案；测试记录，测试结果分析。本实验以晶体管放大电路设计为例，描述完整的设计流程。

1）设计任务Ⅰ

采用晶体管2N3904或/和2N3906、电阻、电容若干，设计放大器电路。

（1）设计要求

电压增益Av（f=10kHz）＞50，负载电阻RL=1 MΩ，电源电压VCC=5 V；输入电阻Ri＞50 kΩ；输出电阻Ro＜100Ω；最小输入电压Vpp=20 m V时无失真。

（2）设计流程

①理论分析、电路结构选型和理论计算

电路正常工作，需要设置合适的静态工作点；静态工作点的设置需同时兼顾失真要求。

高输入电阻采取何种输入级？

低输出电阻采取何种输出级？

大于50倍的电压增益需要什么组态的放大器？

请根据以上提示问题，简述设计过程（含理论计算过程）。

②仿真验证

在Multisim中搭建设计电路，进行直流工作点分析，完成表3-6-8。

表3-6-8　放大器直流仿真

注：该表格可根据实际设计的放大器级数增删

在Multisim中选择合适的仿真方法，仿真该放大器输入电阻、输出电阻和增益，将仿真结果填入表3-6-9中。

表3-6-9　放大器增益和输入、输出电阻仿真

加入峰峰值为20 m V，频率为10 k Hz的正弦波，进行瞬态仿真，在示波器和频谱仪中查看波形，记录失真情况于表3-6-10。

表3-6-10　放大器失真分析

③硬件搭建

在面包板上搭建设计好的多级放大器，并与Pocket Lab进行正确的连接。

④测试方案、测试和测试结果分析

在进行波形测试之前，使用Pocket Lab直流电压表测试各点直流电压，以确保电路搭试正确；

正确设置Pocket Lab，进行波特图测试，得到10 k Hz时的电压增益，填入表3-6-9中；

正确设置Pocket Lab，选择输入信号频率为10 k Hz、电压峰峰值为20 m V的正弦波，进行瞬态波形测试；

正确设置Pocket Lab，选择输入信号频率为10 k Hz、电压峰峰值为20 m V的正弦波，进行频谱测试，将测试结果填入表3-6-10中。

一般的测试设备都无法直接测量放大器的输入、输出电阻，请思考合适的方法，采用Pocket Lab测量放大器的输入、输出电阻，并将数据填入表3-6-9中。

提示：3.3节中，采用给信号源串联内阻的方法，通过分析源增益的变化，估算出了放大器内阻；那么同样，是否可以利用分析开路电路增益和不同负载情况下的增益变化，估算出输出电阻呢？

2）设计任务Ⅱ

采用晶体管2N3904或/和2N3906，电阻、电容若干，设计放大器电路。

要求：中频电压增益Av＞5 000，负载电阻RL=1 MΩ，电源电压VCC=5 V。

（1）请简述设计过程（含计算过程）；

（2）在Multisim中搭建设计电路，进行直流工作点分析，完成表3-6-11。

表3-6-11　放大器直流仿真

注：该表格可根据实际设计的放大器级数增删。

（3）在Multisim中选择合适的仿真方法，仿真该放大器的增益，将增益值填入表3-6-12中。

表3-6-12　放大器增益

注：该表格可根据实际设计的放大器级数增删。

设计提示：

①如果采用多级级联放大器，可采用合适的电平位移电路实现直流工作点的合理设置；

②注意后级电路对前级的负载作用。

【研究与发现】

镜像电流源的改进与优化

仿照场效应管双层电流镜和威尔逊电流镜，在Multisim中分别搭建如图3-6-18和图3-6-19所示的电流镜电路。采用合适的仿真方法，仿真两种不同电流源的电流变化百分比和输出电阻，将结果填入表3-6-13中，并将表3-6-1中基本镜像电流源的仿真结果也记入表中作为对比。

图3-6-18　双极型双层电流镜

图3-6-19　威尔逊电流镜结构

注意：适当调整元器件，使3种电流镜的参考电流基本相同。

表3-6-13　

从仿真结果分析比较3种电流源的恒流性能，并思考原因，作简要陈述。