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(jì)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(jì)算實(shí)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(shí)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(shí)傾向于從電壓的角度來考慮問題。這很可惜，因?yàn)殡娏鬏敵隹稍诙喾矫嫣峁﹥?yōu)勢，包括高噪聲環(huán)境下的模擬電流環(huán)路信號(hào)(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(hào)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(shí)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(gè)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(gè)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(huì)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(gè)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(gè)晶體管組成，T2 由n個(gè)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(jí)電流鏡 (b) 非整數(shù)比例電流鏡可將 3 個(gè) 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(dòng)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(dòng)態(tài)范圍

需要跨導(dǎo)放大器(voltage_in/current_out)時(shí)，可使用一個(gè)單電源運(yùn)算放大器、一個(gè)BJT或FET(MOSFET通常是選擇，因?yàn)樗淮嬖诨鶚O電流誤差)以及一個(gè)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(jià)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(jià)格(價(jià)格高是因?yàn)樾枨罅坑邢?，而非制造困難)將使圖 5 中的運(yùn)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(gè)額外的電阻組成。

圖 5. 運(yùn)算放大器電流鏡

電流鏡具有相對較高、有時(shí)非線性的輸入阻抗，因此它們必須由高阻抗電流源(有時(shí)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(yùn)算放大器。圖 6所示為兩個(gè)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(gè)端子需接地時(shí)。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(gè)電路可以實(shí)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(dòng)直流電源上的電流鏡，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。注意，電流鏡可能有增益，因此信號(hào)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(gè)方向上流動(dòng)——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(huì)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(yùn)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(jià)不高，因此使用一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)儀表放大器和一個(gè)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(gè)電源的 500 mV以內(nèi)。

圖 10. 雙極性電流運(yùn)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(gè)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(gè)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(shí)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(jià)。

圖 12. JFET 電流源

近，我需要為某些LED設(shè)計(jì)電源。有一些工程師朋友認(rèn)為我在設(shè)計(jì)供LED進(jìn)行調(diào)光的可變電流源時(shí)會(huì)遇到一些困難。事實(shí)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(jì)。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(jì)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(jì)算實(shí)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