電流輸出電路技術為您的模擬工具箱增添多功能性

盡管模擬電路課程中教授電流鏡和電路（如Howland電流源），但令人驚訝的是，在定義精密模擬電路的輸出時，許多工程師傾向于只考慮電壓。這很遺憾，因為電流輸出在許多情況下都具有優(yōu)勢，包括在高噪聲環(huán)境中的模擬電流環(huán)路信號（0 mA至20 mA和4 mA至20 mA），以及在不使用光學或磁隔離技術的情況下在大電位差上對模擬信號進行電平轉(zhuǎn)換。本文總結(jié)了一些可用的技術，并提出了一些有用的電路。

獲得穩(wěn)定的電流輸出非常容易。最簡單的方法使用電流鏡：如圖1所示連接兩個相同的晶體管（在同一芯片上制造，因此它們的工藝、幾何形狀和溫度都相同）。兩個器件的基極-發(fā)射極電壓相同，因此流經(jīng)T2集電極的輸出電流與流經(jīng)T1集電極的輸入電流相同。

圖1.基本電流鏡。

該分析假設T1和T2相同且等溫，并且它們的電流增益如此之大，以至于基極電流可以忽略不計。它還忽略了早期電壓，這會導致集電極電流隨集電極電壓的變化而變化。

這些電流鏡可以用NPN或PNP晶體管制成。通過并聯(lián)連接的n個晶體管形成T2，輸出電流將是輸入電流的n倍，如圖2a所示。如果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） 多級電流鏡和 （b） 非整數(shù)比電流鏡。

三個 T2 收集器可以連接起來得到 3I在.

如果早期電壓的影響很重要，則可以通過使用稍微復雜的Wilson電流鏡將其最小化。三晶體管和四晶體管版本如圖3所示。四晶體管版本更精確，動態(tài)范圍更寬。

圖3.威爾遜電流鏡。T4 是可選的，但提高了精度和動態(tài)范圍。

當需要跨導放大器（voltage_in/current_out）時，可以使用單電源運算放大器、BJT或FET（MOSFET通常是最佳選擇，因為沒有基極電流誤差）和定義跨導的精密電阻，如圖4所示。

圖4.跨導放大器。V在–我外.

該電路既簡單又便宜。MOSFET 柵極上的電壓設置了 MOSFET 和 R1 中的電流，使得 V1（R1 兩端的電壓）等于輸入電壓 V在.

如果單片IC內(nèi)部需要電流鏡，則簡單的晶體管電流鏡是理想的選擇。然而，對于分立電路，匹配晶體管的高價格（由于需求有限，而不是任何制造困難）使得圖5所示的運算放大器電流鏡成為最便宜的技術。該電流鏡使用一個跨導放大器和一個附加電阻。

圖5.運算放大器電流鏡。

電流鏡具有相對較高的，有時是非線性的輸入阻抗，因此它們必須由來自高阻抗電流源（有時稱為剛性電流源）的電流饋電。如果輸入電流必須具有低阻抗灌電流，則需要運算放大器。圖 6 顯示了兩個低 Z在當前鏡像。

圖6.（a） 反轉(zhuǎn)低 Z在電流鏡和 （b） 同相低 Z在當前鏡像。

對于基本電流鏡和電流源，輸入和輸出電流極性相同。通常，輸出晶體管的發(fā)射極/源極直接或通過檢測電阻接地，輸出電流從集電極/漏極流向負載，負載的另一個端子連接到直流電源。這并不總是很方便，特別是當負載的一個端子必須接地時。如果電路的發(fā)射極/源極可能構(gòu)建在直流電源上，則這不是問題，如圖7所示。

圖7.接地負載的電流鏡。

如果電流或電壓輸入以地為基準，則必須使用電平轉(zhuǎn)換?？梢允褂酶鞣N電路，但圖8所示的系統(tǒng)適用于許多情況。這個簡單的電路使用接地上的電流源來驅(qū)動直流電源上的電流鏡，從而驅(qū)動負載。請注意，電流鏡可能具有增益，因此信號電流不必與負載電流一樣大。

圖8.電平轉(zhuǎn)換電流鏡。

到目前為止，我們討論的電路是單極性的，即電流沿一個方向流動，但也有可能形成雙極性電流電路。最簡單和最著名的是Howland電流泵，如圖9所示。這種簡單的電路存在許多問題：它需要非常精確的電阻匹配才能獲得高輸出阻抗;輸入源阻抗會增加R1的電阻，因此必須非常低，以最小化匹配誤差;電源電壓必須大大高于最大輸出電壓;運算放大器的CMRR必須相當好。

圖9.豪蘭電流泵。雙極性電流輸出。

當今的高性能儀表放大器（儀表放大器）并不昂貴，因此使用運算放大器、儀表放大器和電流檢測電阻制作雙極性電流源非常簡單，如圖10所示。這種電路比Howland泵更簡單，不依賴于電阻網(wǎng)絡（與儀表放大器集成的電阻網(wǎng)絡除外），并且每個電源的電壓擺幅可能約為500 mV以內(nèi)。

圖 10.雙極性電流運算放大器

到目前為止，我們考慮的電路是具有精密電流輸出的放大器。當然，它們可以與固定輸入一起使用作為精確的電流源，但可以構(gòu)建更簡單的2端子電流源。低電流基準電壓源ADR291的待機電流約為10 μA，典型溫度系數(shù)為20 nA/°C。加上一個負載電阻，如圖11所示，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是負載電阻，單位為kΩ。

圖 11.2端子電流源。

如果精度不是問題，并且只需要一個剛性單極性電流源，則可以使用耗盡模式JFET和電阻構(gòu)建電流源。如圖12所示，這種布置在溫度上不是特別穩(wěn)定，對于給定的R值，電流可能因器件而異，但它簡單且便宜。

圖 12.JFET電流源。

我最近需要為一些 LED 供電。幾個工程師朋友認為我很難使他們所需的可變電流電源變暗。事實上，我很快就修改了一些“黑磚”筆記本電腦電源（在汽車后備箱銷售中以幾美分的價格購買）來完成這項工作。圖13顯示了為LED提供恒定電流的簡單修改。輸出電流小時，該器件可在固定輸出電壓下正常工作。

圖 13.黑磚開關電源經(jīng)過修改，用于限流輸出。

為了產(chǎn)生可變電流，將來自黑磚或本地的基準電壓源施加到由P1和P2表示的電位計上。OPA2 和 MOSFET 通過 R1 發(fā)送小電流，導致其兩端出現(xiàn)壓降。負載電流流經(jīng)檢測電阻。如果負載電流引起的檢測電阻中的壓降超過R1兩端的壓降，則OPA1的輸出將上升，覆蓋磚中的電壓控制，并限制其輸出電壓以防止輸出電流超過限值。

本文對基本電流源概念的討論不是詳細的應用筆記。一些電路需要進一步的設計工作來限制（或耗散）熱量，確保放大器的穩(wěn)定性，不超過絕對最大額定值，并計算可行的性能限值。

審核編輯：郭婷