|
作者：ADI公司James Bryant 雖然諸如Howland電流源等電流鏡和電路在教學時屬于模擬電路部分，仍然有相當一部分的工程師在定義精密模擬電路輸出時傾向于從電壓的角度來考慮問題。 這很可惜，因為電流輸出可在多方面提供優(yōu)勢，包括高噪聲環(huán)境下的模擬電流環(huán)路信號（0 mA至20 mA和4 mA至20 mA），以及在不借助光學或磁性隔離技術的情況下針對較大電位差進行模擬信號電平轉換。 本文總結了一部分現(xiàn)有技術，并提供多款實用電路。 得到穩(wěn)定的電流輸出是極其簡單的事情， 最簡單的方法就是使用電流鏡： 兩個完全相同的晶體管——采用同一塊芯片制造，從而工藝、尺寸和溫度都完全一致——如圖1所示相連。兩個器件的基極-射極電壓相同，因此流入集電極T2的輸出電流等于流入集電極T1的輸入電流。 
圖1. 基本電流鏡 此分析假設T1和T2相同且等溫，并且它們的電流增益極高，以至于可忽略基極電流。 它還會忽略早期電壓，使集電極電流隨集電極電壓變化而改變。 可采用NPN或PNP晶體管組成這些電流鏡。 將n個晶體管并聯(lián)組成T2，則輸出電流為輸入電流的n倍，如圖2a所示。 若T1由m個晶體管組成，T2由n個晶體管組成，則輸出電流將是輸入電流的n/m倍，如圖2b所示。
圖2. (a) 多級電流鏡 (b) 非整數(shù)比例電流鏡 可將3個T2集電極結合起來，得到3IIN 若早期電壓影響很大，則可使用略為復雜的威爾遜電流鏡降至最低。 3晶體管和4晶體管版本如圖3所示。4晶體管版本更為精確，且具有更寬的動態(tài)范圍。
圖3. 威爾遜電流鏡 T4為可選器件，但使用它可改善精度和動態(tài)范圍 需要跨導放大器(voltage_in/current_out)時，可使用一個單電源運算放大器、一個BJT或FET（MOSFET通常是最佳選擇，因為它不存在基極電流誤差）以及一個定義跨導值的精密電阻來組成，如圖4所示。
圖4. 跨導放大器 VIN – IOUT 該電路簡單、價格不高。 MOSFET柵極上的電壓可設置MOSFET中的電流和R1，使R1上的電壓V1等于輸入電壓VIN。 若單芯片IC中需要用到電流鏡，則最好使用簡單的晶體管電流鏡。 然而，若采用分立式電路，其匹配電阻高昂的價格（價格高是因為需求量有限，而非制造困難）將使圖5中的運算放大器電流鏡成為最便宜的技術。 該電流鏡由跨導放大器和一個額外的電阻組成。
圖5. 運算放大器電流鏡 電流鏡具有相對較高、有時非線性的輸入阻抗，因此它們必須由高阻抗電流源（有時亦稱為 剛性電流源）提供電流。 若輸入電流必須具有低阻抗吸電流能力，則需使用運算放大器。 圖6所示為兩個低ZIN 電流鏡。
圖6. (a) 低ZIN 電流鏡反相 (b) 低ZIN 電流鏡同相 采用基本電流鏡和電流源，則輸入和輸出電流極性相同。 通常，輸出晶體管的射極/源極直接或通過檢測電阻接地，且輸出電流從集電極/漏極流入負載，其他端子連接直流電源。 這樣做并非總是很方便，尤其當負載的一個端子需接地時。 如圖7所示，若電路采用其直流電源的射極/源極來構建，則不存在此問題。
圖7. 接地負載電流鏡 若電流或電壓輸入?yún)⒖嫉兀瑒t必須使用電平轉換。 有多個電路可以實現(xiàn)；而圖8中的系統(tǒng)在很多場合下都適用。 這款簡單的電路采用接地電流源驅動直流電源上的電流鏡，從而驅動負載。 注意，電流鏡可能有增益，因此信號電流不需要像負載電流那么高。
圖8. 電平轉換電流鏡 目前為止，我們討論的電路都是單極性的——電流在一個方向上流動——但雙極性電流電路也是可行的。 最簡單、使用最廣泛的當數(shù)Howland電流泵，如圖9所示。這款簡單的電路有很多問題： 它對電阻匹配的精度要求極高，以獲得高輸出阻抗；輸入源阻抗會增加R1電阻，因此它的數(shù)值必須非常低以最大程度降低匹配誤差；電源電壓必須比最大輸出電壓高得多；并且運算放大器的CMRR性能必須相對良好。
圖9. Howland電流泵 雙極性電流輸出 現(xiàn)在，高性能儀表放大器售價不高，因此使用一個運算放大器、一個儀表放大器和一個電流檢測電阻組成雙極性電流源極為方便，如圖10所示。這類電路比Howland電流泵要更為簡單，不依賴于電阻網(wǎng)絡（除了集成儀表放大器的那種），且電壓擺幅在每個電源的500 mV以內(nèi)。
圖10. 雙極性電流運算放大器 目前為止，我們討論的電路都是具有精密電流輸出的放大器。 當然，它們能夠與固定輸入一同使用，提供精密電流源，但構建一個更簡單的雙端電流源也是可行的。 低電流基準電壓源ADR291 具有10 μA左右的待機電流，典型溫度系數(shù)為20 nA/°C。 如圖11所示，加入負載電阻后，則3 V至15 V電源范圍內(nèi)的基準電流為(2.5/R + 0.01) mA，其中R為負載電阻，單位是kΩ。
圖11. 雙端電流源 若精度不是問題，且只要求剛性單極性電流源，則可以采用耗盡型JFET和一個電阻組成電流源。 如圖12所示，這種配置在溫度發(fā)生變化時并不十分穩(wěn)定，且對于給定的R值，各器件的電流可能有相當大的差異，但該配置簡單而廉價。
圖12. JFET電流源 最近，我需要為某些LED設計電源。 有一些工程師朋友認為我在設計供LED進行調光的可變電流源時會遇到一些困難。 事實上，我只是簡單地改裝了筆記本電腦的"黑磚頭"電源（花幾美分從跳蚤市場買的）就搞定了。 圖13顯示的是經(jīng)過簡單修改的電源電路，可為LED提供恒定電流。 采用小輸出電流，它可以固定輸出電壓正常工作。
圖13. 修改黑磚頭開關電源以提供限流輸出 為了得到可變的電流，將基準電壓——來自黑磚頭或本地——施加于P1和P2所代表的電位計。 OPA2和MOSFET通過R1輸出小電流，在其上產(chǎn)生壓降。 負載電流流過檢測電阻。 若檢測電阻上的電壓由于負載電流超過R1上的壓降而有所下降，那么OPA1輸出將上升，覆蓋磚頭中的電壓控制，并限制其輸出電壓，防止輸出電流超過限值。 本文對于基本電流源構想的討論并不等同于詳細的應用筆記。 某些電路要求進行進一步設計以限制發(fā)熱或散熱，從而確保放大器的穩(wěn)定性以及不超過絕對最大額定值，并計算實際性能限值。 有關這些電路的更詳細分析，請參考優(yōu)秀的電子教材，比如ADI網(wǎng)站，甚至維基百科。 參考文獻 應用筆記AN-1208。 利用數(shù)字電位計AD5292和運算放大器ADA4091-4構建可編程雙向電流源。ADI公司，2013年。 電路筆記CN-0099。 利用差動放大器AD8276和運算放大器AD8603構建高精度、低成本電流源。 電路筆記CN-0151。 使用DAC、運算放大器和MOSFET晶體管構建多功能高精度可編程電流源。 Murnane。 應用筆記AN-968。電流源：方案與電路。ADI公司，2008年。 作者簡介 James Bryant [james@jbryant.eu]從1982年起擔任ADI歐洲地區(qū)的應用經(jīng)理，擁有利茲大學物理與哲學學位。 他是注冊工程師(C.Eng.)、歐洲注冊工程師(Eur. Eng.）、電機工程師協(xié)會會員(MIEE)以及對外廣播新聞處(FBIS)會員。 除了熱衷鉆研工程學外，他還是一名無線電愛好者，他的呼叫代號是G4CLF。 |
