如何设计恒流源输出电路？

目录

1、单极性恒流源电路设计

得到稳定的电流输出是极其简单的事情，最简单的方法就是使用电流镜：两个完全相同的晶体管（采用同一块芯片制造，从而工艺、尺寸和温度都完全一致），如图1所示相连。

两个器件的基极-射极电压相同，因此流入集电极T2的输出电流等于流入集电极T1的输入电流。

此分析假设T1和T2相同且等温，并且它们的电流增益极高，以至于可忽略基极电流。它还会忽略早期电压，使集电极电流随集电极电压变化而改变。

可采用NPN或PNP晶体管组成这些电流镜。将n个晶体管并联组成T2，则输出电流为输入电流的n倍，如图2a所示。若T1由m个晶体管组成，T2由n个晶体管组成，则输出电流将是输入电流的n/m倍，如图2b所示。

若早期电压影响很大，则可使用略为复杂的威尔逊电流镜降至最低。3晶体管和4晶体管版本如图3所示。4晶体管版本更为精确，且具有更宽的动态范围。

需要跨导放大器(voltage_in/current_out)时，可使用一个单电源运算放大器、一个BJT或FET(MOSFET通常是最佳选择，因为它不存在基极电流误差)以及一个定义跨导值的精密电阻来组成，如图4所示。

该电路简单、价格不高。MOSFET栅极上的电压可设置MOSFET中的电流和R1，使R1上的电压V1等于输入电压VIN。

若单芯片IC中需要用到电流镜，则最好使用简单的晶体管电流镜。然而，若采用分立式电路，其匹配电阻高昂的价格(价格高是因为需求量有限，而非制造困难)将使图5中的运算放大器电流镜成为最便宜的技术。该电流镜由跨导放大器和一个额外的电阻组成。

电流镜具有相对较高、有时非线性的输入阻抗，因此它们必须由高阻抗电流源(有时亦称为刚性电流源)提供电流。若输入电流必须具有低阻抗吸电流能力，则需使用运算放大器。图6所示为两个低ZIN电流镜。

采用基本电流镜和电流源，则输入和输出电流极性相同。通常，输出晶体管的射极/源极直接或通过检测电阻接地，且输出电流从集电极/漏极流入负载，其他端子连接直流电源。这样做并非总是很方便，尤其当负载的一个端子需接地时。如图7所示，若电路采用其直流电源的射极/源极来构建，则不存在此问题。

若电流或电压输入参考地，则必须使用电平转换。有多个电路可以实现；而图8中的系统在很多场合下都适用。这款简单的电路采用接地电流源驱动直流电源上的电流镜，从而驱动负载。注意，电流镜可能有增益，因此信号电流不需要像负载电流那么高。

2、双极性恒流源电路设计

目前为止，我们讨论的电路都是单极性的：电流在一个方向上流动，但双极性电流电路也是可行的。

最简单、使用最广泛的当数Howland电流泵，如图9所示。

这款简单的电路有很多问题：它对电阻匹配的精度要求极高，以获得高输出阻抗；输入源阻抗会增加R1电阻，因此它的数值必须非常低以最大程度降低匹配误差；电源电压必须比最大输出电压高得多；并且运算放大器的CMRR性能必须相对良好。

现在，高性能仪表放大器售价不高，因此使用一个运算放大器、一个仪表放大器和一个电流检测电阻组成双极性电流源极为方便，如图10所示。

这类电路比Howland电流泵要更为简单，不依赖于电阻网络(除了集成仪表放大器的那种)，且电压摆幅在每个电源的500 mV以内。

目前为止，我们讨论的电路都是具有精密电流输出的放大器。当然，它们能够与固定输入一同使用，提供精密电流源，但构建一个更简单的双端电流源也是可行的。低电流基准电压源ADR291具有10 μA左右的待机电流，典型温度系数为20 nA/°C。如图11所示，加入负载电阻后，则3 V至15 V电源范围内的基准电流为(2.5/R + 0.01) mA，其中R为负载电阻，单位是kΩ。

若精度不是问题，且只要求刚性单极性电流源，则可以采用耗尽型JFET和一个电阻组成电流源。如图12所示，这种配置在温度发生变化时并不十分稳定，且对于给定的R值，各器件的电流可能有相当大的差异，但该配置简单而廉价。

最近，我需要为某些LED设计电源。有一些工程师朋友认为我在设计供LED进行调光的可变电流源时会遇到一些困难。

事实上，我只是简单地改装了笔记本电脑的“黑砖头”电源(花几美分从跳蚤市场买的)就搞定了。图13显示的是经过简单修改的电源电路，可为LED提供恒定电流。采用小输出电流，它可以固定输出电压正常工作。

为了得到可变的电流，将基准电压：来自黑砖头或本地，施加于P1和P2所代表的电位计。OPA2和MOSFET通过R1输出小电流，在其上产生压降。负载电流流过检测电阻。若检测电阻上的电压由于负载电流超过R1上的压降而有所下降，那么OPA1输出将上升，覆盖砖头中的电压控制，并限制其输出电压，防止输出电流超过限值。

学习来源：ADI官网

期刊下载：https://download.csdn.net/download/m0_38106923/19880026

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