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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(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(shì)，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(duì)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， 最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(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通常是最佳選擇，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(jià)格（價(jià)格高是因?yàn)樾枨罅坑邢蓿侵圃炖щy）將使圖5中的運(yùn)算放大器電流鏡成為最便宜的技術(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(duì)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嫉兀瑒t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。 最簡單、使用最廣泛的當(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(duì)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(yùn)算放大器的CMRR性能必須相對(duì)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20 nA/°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(duì)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 最近，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(duì)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)定性以及不超過絕對(duì)最大額定值，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(qǐng)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(xiàn) 應(yīng)用筆記AN-1208。 利用數(shù)字電位計(jì)AD5292和運(yùn)算放大器ADA4091-4構(gòu)建可編程雙向電流源。ADI公司，2013年。 電路筆記CN-0099。 利用差動(dòng)放大器AD8276和運(yùn)算放大器AD8603構(gòu)建高精度、低成本電流源。 電路筆記CN-0151。 使用DAC、運(yùn)算放大器和MOSFET晶體管構(gòu)建多功能高精度可編程電流源。 Murnane。 應(yīng)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(dān)任ADI歐洲地區(qū)的應(yīng)用經(jīng)理，擁有利茲大學(xué)物理與哲學(xué)學(xué)位。 他是注冊(cè)工程師(C.Eng.)、歐洲注冊(cè)工程師(Eur. Eng.）、電機(jī)工程師協(xié)會(huì)會(huì)員(MIEE)以及對(duì)外廣播新聞處(FBIS)會(huì)員。 除了熱衷鉆研工程學(xué)外，他還是一名無線電愛好者，他的呼叫代號(hào)是G4CLF。 |
