如何設(shè)計(jì)任意大小的電流源

電流源的內(nèi)阻相對(duì)負(fù)載阻抗很大，負(fù)載阻抗波動(dòng)不會(huì)改變電流大小。在電流源回路中串聯(lián)電阻無(wú)意義，因?yàn)樗粫?huì)改變負(fù)載的電流，也不會(huì)改變負(fù)載上的電壓。在原理圖上這類(lèi)電阻應(yīng)簡(jiǎn)化掉。負(fù)載阻抗只有并聯(lián)在電流源上才有意義，與內(nèi)阻是分流關(guān)系。

由于內(nèi)阻等多方面的原因，理想電流源在真實(shí)世界是不存在的，但這樣一個(gè)模型對(duì)于電路分析是十分有價(jià)值的。實(shí)際上，如果一個(gè)電流源在電壓變化時(shí)，電流的波動(dòng)不明顯，我們通常就假定它是一個(gè)理想電流源。

電流源和灌電流是模擬設(shè)計(jì)的重要組成部分，從有源模擬電路的簡(jiǎn)單偏置到電流電容積分器復(fù)位和振蕩器架構(gòu)。理想電流源，是從實(shí)際電源抽象出來(lái)的一種模型，其端鈕總能向外部提供一定的電流而不論其兩端的電壓為多少，電流源具有兩個(gè)基本的性質(zhì)：第一，它提供的電流是定值I或是一定的時(shí)間函數(shù)I(t)與兩端的電壓無(wú)關(guān)。第二，電流源自身電流是確定的，而它兩端的電壓是任意的。用于實(shí)現(xiàn)電流源和接收器的方便拓?fù)淅糜蛇\(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 從小串聯(lián)電阻的反饋中產(chǎn)生電流。圖 1 描述了這種拓?fù)洹?

圖 1：反饋產(chǎn)生的電流源和灌電流電路

如圖 1 所示，兩個(gè)電路都使用負(fù)反饋在 R SET電阻上施加電壓，從而產(chǎn)生以下拉電流和灌電流（等式 1 和 2）：

為使這些電流可用作 DC，上述等式 1 和 2 中的分子必須是恒定的。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法是使用分流參考電壓，如圖 2 所示。

圖 2：反饋產(chǎn)生的電流源和灌電流電路

請(qǐng)注意，在圖 2 中，R LIM電阻器用于降低過(guò)多的輸入電壓并限制通過(guò)電壓基準(zhǔn)的電流。此外，與陰極參考相連的可調(diào)電壓參考（例如LMV431）將反饋電壓強(qiáng)制為最小值——這提供了一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，我將在稍后探討。等式 1 和 2 現(xiàn)在可以重寫(xiě)為：

等式 3 和 4 可以組合（因?yàn)樗鼈兪窍嗤模┎⒅貙?xiě)為等式 5，以求解產(chǎn)生任意源電流或灌電流 I SET所需的 R SET值：

此拓?fù)涞妮敵鲭妷悍秶艿?/span> FET 和 R SET電阻器之間必須保持的裕量的限制。這就是最小化強(qiáng)制反饋電壓的原因——最小化強(qiáng)制反饋電壓可以最大化有效輸出電壓范圍。等式 6 和 7 描述了有效輸出電壓區(qū)域內(nèi)外的電流源和灌電流行為。

任何可調(diào)電壓基準(zhǔn)的內(nèi)部VREF大約為 1.24V。通過(guò)帶隙參考產(chǎn)生，這個(gè)特定的電壓最終將定義這個(gè)拓?fù)涞目傮w限制。為了演示，圖 3 是 R SET值為 124Ω的示例電流吸收特性（包括線性電流壓降） 。

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中用雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 代替 FET 可能會(huì)導(dǎo)致略微更高的凈空要求，盡管最終這種替代的行為應(yīng)該幾乎相同。

理想電流源是電路理論中的基本要素。盡管任何物理實(shí)現(xiàn)總是達(dá)不到理想狀態(tài)，但了解這些缺點(diǎn)背后的機(jī)制是很有價(jià)值的，因此可以減輕或避免它們。在這種拓?fù)涞那闆r下，我們已經(jīng)看到了輸出電壓范圍如何影響輸出電流，以及電壓參考選擇在最小化這種影響方面所起的重要作用。