電流輸出電路技術(shù)為您的模擬工具箱添加多樣性

本文對于基本電流源構(gòu)想的討論并不等同于詳細(xì)的應(yīng)用筆記。某些電路要求進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計以限制發(fā)熱或散熱，從而確保放大器的穩(wěn)定性以及不超過額定值，并計算實際性能限值。有關(guān)這些電路的更詳細(xì)分析，請參考的電子教材，比如ADI網(wǎng)站，甚至維基百科。

雖然諸如Howland電流源等電流鏡和電路在教學(xué)時屬于模擬電路部分，仍然有相當(dāng)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(xué)或磁性隔離技術(shù)的情況下針對較大電位差進(jìn)行模擬信號電平轉(zhuǎn)換。本文總結(jié)了一部分現(xiàn)有技術(shù)，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，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(shè)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(jié)合起來，得到 3IIN

若早期電壓影響很大，則可使用略為復(fù)雜的威爾遜電流鏡降至。3 晶體管和 4 晶體管版本如圖 3 所示。4 晶體管版本更為，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(dǎo)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通常是選擇，因為它不存在基極電流誤差)以及一個定義跨導(dǎo)值的精密電阻來組成，如圖 4 所示。

圖 4. 跨導(dǎo)放大器 VIN – IOUT

該電路簡單、價格不高。MOSFET柵極上的電壓可設(shè)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的技術(shù)。該電流鏡由跨導(dǎo)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(fù)載，其他端子連接直流電源。這樣做并非總是很方便，尤其當(dāng)負(fù)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(gòu)建，則不存在此問題。

圖 7. 接地負(fù)載電流鏡

若電流或電壓輸入?yún)⒖嫉?，則必須使用電平轉(zhuǎn)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(qū)動直流電源上的電流鏡，從而驅(qū)動負(fù)載。注意，電流鏡可能有增益，因此信號電流不需要像負(fù)載電流那么高。

圖 8. 電平轉(zhuǎn)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。簡單、使用廣泛的當(dāng)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)值必須非常低以降低匹配誤差;電源電壓必須比輸出電壓高得多;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(luò)(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(dāng)然，它們能夠與固定輸入一同使用，提供精密電流源，但構(gòu)建一個更簡單的雙端電流源也是可行的。低電流基準(zhǔn)電壓源ADR291 具有 10 μA左右的待機(jī)電流，典型溫度系數(shù)為 20nA/°C。如圖 11 所示，加入負(fù)載電阻后，則 3 V至 15 V電源范圍內(nèi)的基準(zhǔn)電流為(2.5/R 0.01) mA，其中R為負(fù)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(dāng)大的差異，但該配置簡單而廉價。

圖 12. JFET 電流源

近，我需要為某些LED設(shè)計電源。有一些工程師朋友認(rèn)為我在設(shè)計供LED進(jìn)行調(diào)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(guān)電源以提供限流輸出

為了得到可變的電流，將基準(zhǔn)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(fù)載電流流過檢測電阻。若檢測電阻上的電壓由于負(fù)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(gòu)想的討論并不等同于詳細(xì)的應(yīng)用筆記。某些電路要求進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計以限制發(fā)熱或散熱，從而確保放大器的穩(wěn)定性以及不超過額定值，并計算實際性能限值。有關(guān)這些電路的更詳細(xì)分析，請參考的電子教材，比如ADI網(wǎng)站，甚至維基百科。

審核編輯：湯梓紅