恒流源電路基礎(chǔ)知識(shí)分享，及其最常用恒流源電路的分析與比較

恒流源電路：恒流源由信號(hào)源和電壓控制電流源(VCCS)兩部分組成。正弦信號(hào)源采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)，即以一定頻率連續(xù)從EPROM中讀取正弦采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換并濾波后產(chǎn)生EIT所需的正弦信號(hào)。本系統(tǒng)采用DDS集成芯片AD9830，其內(nèi)部有兩個(gè)12位相位寄存器和兩個(gè)32位頻率寄存器。在單片機(jī)的控制下對相應(yīng)的寄存器置數(shù)就可以方便得到2MHz以下的任意頻率和相位的輸出，其中頻率精度為1/ 2 32，相位分辨率為2π/2 12，輸出幅度也可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此能滿足系統(tǒng)多頻激勵(lì)(10kHz～1MHz)的要求。

恒流源電路(電流反射鏡電路)

兩種基本恒流源電路 恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想的恒流源應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

a)不因負(fù)載(輸出電壓)變化而改變;

b)不因環(huán)境溫度變化而改變;

c)內(nèi)阻為無限大(以使其電流可以全部流出到外面);

能夠提供恒定電流的電路即為恒流源電路，又稱為電流反射鏡電路。

基本的恒流源電路主要是由輸入級(jí)和輸出級(jí)構(gòu)成，輸入級(jí)提供參考電流，輸出級(jí)輸出需要的恒定電流。

恒流源電路就是要能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的電流以保證其它電路穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。即要求恒流源電路輸出恒定電流，因此作為輸出級(jí)的器件應(yīng)該是具有飽和輸出電流的伏安特性。這可以采用工作于輸出電流飽和狀態(tài)的BJT或者M(jìn)OSFET來實(shí)現(xiàn)。

為了保證輸出晶體管的電流穩(wěn)定，就必須要滿足兩個(gè)條件：a)其輸入電壓要穩(wěn)定——輸入級(jí)需要是恒壓源;b)輸出晶體管的輸出電阻盡量大(最好是無窮大)——輸出級(jí)需要是恒流源。

上左圖是用增強(qiáng)型n-MOSFET構(gòu)成的一種基本恒流源電路。為了保證輸出晶體管T2的柵-源電壓穩(wěn)定，其前面就應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個(gè)恒壓源。實(shí)際上，T1 MOS管在此的作用也就是為了給T2提供一個(gè)穩(wěn)定的柵-源電壓，即起著一個(gè)恒壓源的作用。因此T1應(yīng)該具有很小的交流電導(dǎo)和較高的跨導(dǎo)，以保證其具有較好的恒壓性能。T2應(yīng)該具有很大的輸出交流電阻，為此就需要采用長溝道MOSFET，并且要減小溝道長度調(diào)制效應(yīng)等不良影響。

上右圖是用BJT構(gòu)成的一種基本恒流源電路。其中T2是輸出恒定電流的晶體管，晶體管T1就是一個(gè)給T2提供穩(wěn)定基極電壓的發(fā)射結(jié)二極管。當(dāng)然，T1的電流放大系數(shù)越大、跨導(dǎo)越高，則其恒壓性能也就越好。同時(shí)，為了輸出電流恒定(即提高輸出交流電阻)，自然還需要盡量減小T2的基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)(即Early效應(yīng))。另外，如果采用兩個(gè)基極相連接的p-n-p晶體管來構(gòu)成恒流源的話，那么在IC芯片中這兩個(gè)晶體管可以放置在同一個(gè)隔離區(qū)內(nèi)，這將有利于減小芯片面積，但是為了獲得較好的輸出電流恒定的性能，即需要特別注意增大橫向p-n-p晶體管的電流放大系數(shù)。

因?yàn)檩斎爰?jí)需要是恒壓源，所以可以采用具有電壓飽和伏安特性的器件來作為輸入級(jí)。一般的pn結(jié)二極管就具有這種特性——指數(shù)式上升的伏安特性;另外，把增強(qiáng)型MOSFET的源-漏極短接所構(gòu)成的二極管，也具有類似的伏安特性——拋物線式上升的伏安特性。

在IC中采用二極管作為輸入級(jí)器件時(shí)，一般都是利用三極管進(jìn)行適當(dāng)連接而成的集成二極管，因?yàn)檫@種二極管既能夠適應(yīng)IC工藝，又具有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。對于這些三極管，要求它具有一定的放大性能，這才能使得其對應(yīng)的二極管具有較好的恒壓性能。

如果采用BJT，為了使其輸出電阻增大，就需要設(shè)法減小Early效應(yīng)(基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng))，即要盡量提高Early電壓。

如果采用MOSFET，為了使其輸出電阻增大，就需要設(shè)法減小其溝道長度調(diào)制效應(yīng)和襯偏效應(yīng)。因此，這里一般是選用長溝道MOSFET ，而不用短溝道器件。

在以上基本電路的基礎(chǔ)上，還可以加以擴(kuò)展其功能：

一方面，在二極管恒壓源(T1)的作用下，它的后面可以連接多個(gè)輸出支路(與T2并聯(lián)的多個(gè)晶體管)，從而能夠獲得多個(gè)穩(wěn)定的輸出電流。

另一方面，在T1和T2的源極(發(fā)射極)上還可以分別串聯(lián)一個(gè)電阻(設(shè)分別為R1和R2)，這就能夠得到不同大小的恒定輸出電流。因?yàn)檫@時(shí)可有I(輸出)/I(參考)=R1/R2，則在這種恒流源電路中，輸出的恒定電流基本上是決定于電阻以及晶體管放大系數(shù)的比值，而與電阻和放大系數(shù)的絕對大小關(guān)系不大。這種性質(zhì)正好適應(yīng)了集成電路制造工藝的特點(diǎn)，所以這種恒流源電路是模擬IC中的一種基本電路。

恒流電路有很多場合不僅需要場合輸出阻抗為零的恒流源，也需要輸入阻抗為無限大的恒流源，以下是幾種單極性恒流電路：

類型1：

特征：使用運(yùn)放，高精度

輸出電流：Iout=Vref/Rs

類型2：

特征：使用并聯(lián)穩(wěn)壓器，簡單且高精度

輸出電流：Iout=Vref/Rs

檢測電壓：根據(jù)Vref不同(1.25V或2.5V)

類型3：

特征：使用晶體管，簡單，低精度

輸出電流：Iout=Vbe/Rs

檢測電壓：約0.6V

類型4：

特征：減少類型3的Vbe的溫度變化，低、中等精度，低電壓檢測

輸出電流：Iout=Vref/Rs

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使用JEFT，超低噪聲輸出電流：由JEFT決定

檢測電壓：與JEFT有關(guān)

其中類型1為基本電路，工作時(shí)，輸入電壓Vref與輸出電流成比例的檢測電壓Vs(Vs=Rs×Iout)相等，如圖5所示，

圖5

注：Is=IB+Iout=Iout(1+1/hFE)其中1/hFE為誤差

若輸出級(jí)使用晶體管則電流檢測時(shí)會(huì)產(chǎn)生基極電流分量這一誤差，當(dāng)這種情況不允許時(shí)，可采用圖6所示那樣采用FET管

圖6

Is=Iout-IG

類型2，這是使用運(yùn)放與Vref(2.5V)一體化的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路，由于這種電路的Vref高達(dá)2.5V，所以電源利用范圍較窄

類型3，這是用晶體管代替運(yùn)放的電路，由于使用晶體管的Vbe(約0.6V)替代Vref的電路，因此，Vbe的溫度變化毫無改變地呈現(xiàn)在輸出中，從而的不到期望的精度

類型4，這是利用對管補(bǔ)償Vbe隨溫度變化的電路，由于檢測電壓也低于0.1V左右，應(yīng)此，電源利用范圍很寬

類型5，這是利用J-FET的電路，改變Rgs 可使輸出電流達(dá)到漏極飽和電流IDSS，由于噪聲也很小，因此，在噪聲成為問題時(shí)使用這種電路也有一定價(jià)值，在該電路中不接RGS，則電流值變成IDSS，這樣，J-FET接成二極管形式就變成了“恒流二極管”

以上電路都是電流吸收型電路，但除了類型2以外，若改變Vref極性與使用的半導(dǎo)體元件，則可以變成電流吐出型電