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如何設計恒流源輸出電路?

1、單極性恒流源電路設計

得到穩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:兩個完全相同的半導體(采用同一塊晶片制造,進而工藝、尺寸和溫度都完全一緻),如圖1所示相連。

如何設計恒流源輸出電路?

兩個器件的基極-射極電壓相同,是以流入集電極T2的輸出電流等于流入集電極T1的輸入電流。

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,使集電極電流随集電極電壓變化而改變。

可采用NPN或PNP半導體組成這些電流鏡。将n個半導體并聯組成T2,則輸出電流為輸入電流的n倍,如圖2a所示。若T1由m個半導體組成,T2由n個半導體組成,則輸出電流将是輸入電流的n/m倍,如圖2b所示。

如何設計恒流源輸出電路?

若早期電壓影響很大,則可使用略為複雜的威爾遜電流鏡降至最低。3半導體和4半導體版本如圖3所示。4半導體版本更為精确,且具有更寬的動态範圍。

如何設計恒流源輸出電路?

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。

如何設計恒流源輸出電路?

該電路簡單、價格不高。MOSFET栅極上的電壓可設定MOSFET中的電流和R1,使R1上的電壓V1等于輸入電壓VIN。

若單晶片IC中需要用到電流鏡,則最好使用簡單的半導體電流鏡。然而,若采用分立式電路,其比對電阻高昂的價格(價格高是因為需求量有限,而非制造困難)将使圖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。

如何設計恒流源輸出電路?

電流鏡具有相對較高、有時非線性的輸入阻抗,是以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。

如何設計恒流源輸出電路?

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,輸出半導體的射極/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,其他端子連接配接直流電源。這樣做并非總是很友善,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/源極來建構,則不存在此問題。

如何設計恒流源輸出電路?

若電流或電壓輸入參考地,則必須使用電平轉換。有多個電路可以實作;而圖8中的系統在很多場合下都适用。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,進而驅動負載。注意,電流鏡可能有增益,是以信号電流不需要像負載電流那麼高。

如何設計恒流源輸出電路?

2、雙極性恒流源電路設計

目前為止,我們讨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Howland電流泵,如圖9所示。

如何設計恒流源輸出電路?

這款簡單的電路有很多問題:它對電阻比對的精度要求極高,以獲得高輸出阻抗;輸入源阻抗會增加R1電阻,是以它的數值必須非常低以最大程度降低比對誤差;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。

現在,高性能儀表放大器售價不高,是以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友善,如圖10所示。

如何設計恒流源輸出電路?

這類電路比Howland電流泵要更為簡單,不依賴于電阻網絡(除了內建儀表放大器的那種),且電壓擺幅在每個電源的500 mV以内。

目前為止,我們讨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,但建構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,典型溫度系數為20 nA/°C。如圖11所示,加入負載電阻後,則3 V至15 V電源範圍内的基準電流為(2.5/R + 0.01) mA,其中R為負載電阻,機關是kΩ。

如何設計恒流源輸出電路?

若精度不是問題,且隻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,這種配置在溫度發生變化時并不十分穩定,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。

如何設計恒流源輸出電路?

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,我隻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。

如何設計恒流源輸出電路?

為了得到可變的電流,将基準電壓: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,在其上産生壓降。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,那麼OPA1輸出将上升,覆寫磚頭中的電壓控制,并限制其輸出電壓,防止輸出電流超過限值。

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