关于双极结型晶体管差分放大器的温度补偿的设计.doc
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1、关于双极结型晶体管差分放大器的温度补偿的设计人们普遍认为,使用双极结型晶体管(BJT)电流源可以对双极结型晶体管差分放大器进行温度补偿,但事实并非如此。对I0进行温度补偿得到常数re,会导致电流源外部发射极电阻R0上的电压低,从而无法精确设置I0。本设计实例分析了BJT差分放大器的发射极电路电流源I0,及其不同实现方式对放大器增益的影响。双极结型晶体管(BJT)对发射极耦合差分放大器电路是模拟设计人员熟悉的放大器级,但其复杂性也颇有意思。本文探讨了BJT差分放大器的发射极电路电流I0及其不同实现方式对放大器增益的影响。人们普遍认为BJT电流源可以对BJT差分放大器进行温度补偿这一结论是正确的,
2、但似乎并不知道其成立条件。典型电路如图1所示。图1:差分输入差分输出电压放大器。这是一款差分输入差分输出电压放大器。在输入和输出量差分的情况下,电路的增量电压增益为:差分放大的条件是A1= A2。当电路满足如下等式时,它是对称的: 然后电压增益变成:其中rM是互阻,输入电压产生(pre-)的输出电流流经该电阻。好的设计目标是使A成为固定值。其中一个影响因素是选择具有低温度系数(TC)和足够精确的电阻器,这通常很容易实现。但对于高精度设计,由环境温度变化引起的阻值变化是需要考虑的因素。尤其还要考虑“热效应”,即由随i一起变化的功耗变化引起的动态的、与波形相关的阻值变化。对于非常精确的设计,也必须
3、考虑与施加电压相关的阻值变化。在精确设计中,除这里使用的两个(re和)BJT T模型参数之外,其它晶体管参数,即ro,也需要考虑在内。我们假设BJT具有足够高的厄利电压(Early voltage),因而不需要考虑ro至少在这里不考虑。在实践中,这个假设通常是有效的。BJT通常是电路中最不理想的元件。从增益公式可以看出,增量发射极电阻re和这两个BJT参数影响增益。对于高值也即 1,增益因子接近1: 对于典型值200, = 0.995,造成0.5的增益误差。如果差太大,则需要补偿技术。通常,该误差可以通过将其包含在增益公式中来弥补,正如我们所做的。更重要的是其温漂的大小。典型值为: 那么对于大
4、的,的TC约为50 ppm;通常不是大问题。Av的互阻表达式rM(分母)是输入电压产生输入和输出回路共有的(发射极)电流的电阻。输出电流被修改,导致发射器的电流通路的损耗。该互阻rM也包括以RB表示的。如果RB保持为小数值,且输入由电压源驱动,则不必考虑。如果源的阻值高,那么RB项会因随温度变化而影响增益。其1 %/ 的变化要缩小到RB/( + 1)在rM中不占主导的程度。保持RB为小数值是另一个设计考虑因数。在rM中最麻烦的一项是re,因为它随着温度和发射极电流IE而变化,根据:在IE恒定的情况下,re随热电压VT变化,而VT与绝对温度成比例变化。 在300K(约80)时,该值为1/300
5、K或约0.33 %/K = 0.33 %/。对于实验室品质的仪器设计,我们假设一个温度范围超过25 +/- 15,即10到40,超过此范围设备应能符合规范正常运行。在环境温度变化超过15的情况下,VT变化约5,这对大多数精密设计来说太大了。因此,需要补偿增益的VT变化。对re最简单的补偿方式是在rM中把它作为一个可以忽略的项(和RB项一起)。这是通过使RE占主导来实现的。对于REre,re的漂移对增益的影响远低于5。许多情况下,占主导地位的外部发射极阻值解决了漂移问题,但牺牲了增益和功耗。通过增加I0,re成比例地减小,但电路功耗增加。这不仅对功耗受限的设备不利,还会通过增加BJT中的PD(i
6、)而加剧发热。在某些情况下,re不能忽略不计,需要对其进行一些补偿。最常见的一种方法是使I0跟踪re并抵消其影响。为了使I0具有VT的TC,最简单的方法是使用BJT电流源实现I0。电流源BJT的b-e结电压随温升下降,I0增加、re减小。电流源电路我们将考虑的第一个电路源I0不过是个电阻R0,它返回到负电源。当电源电压V接近负无穷大或者R0的值接近无穷大时,这个“长尾”电流源接近理想的电流源。它对re的TC没做补偿。下面显示了第二个考虑的实现。 图2:电路在R0两端的电压为V VBE(Q0)。这个简单电路在R0两端的电压为V VBE(Q0)。随着温度的升高,VBE降低,但与VT的TC无关。影响
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