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(shí)，許多工程師傾向于只考慮電壓。這很遺憾，因?yàn)殡娏鬏敵鲈谠S多情況下都具有優(yōu)勢(shì)，包括在高噪聲環(huán)境中的模擬電流環(huán)路信號(hào)（0 mA至20 mA和4 mA至20 mA），以及在不使用光學(xué)或磁隔離技術(shù)的情況下在大電位差上對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本文總結(jié)了一些可用的技術(shù)，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(jiǎn)單的方法使用電流鏡：如圖1所示連接兩個(gè)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(gè)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(shè)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(jì)。它還忽略了早期電壓，這會(huì)導(dǎo)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(guò)并聯(lián)連接的n個(gè)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(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)電流鏡和 （b） 非整數(shù)比電流鏡。

三個(gè) T2 收集器可以連接起來(lái)得到 3I在.

如果早期電壓的影響很重要，則可以通過(guò)使用稍微復(fù)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(dòng)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(dòng)態(tài)范圍。

當(dāng)需要跨導(dǎo)放大器（voltage_in/current_out）時(shí)，可以使用單電源運(yùn)算放大器、BJT或FET（MOSFET通常是最佳選擇，因?yàn)闆](méi)有基極電流誤差）和定義跨導(dǎo)的精密電阻，如圖4所示。

圖4.跨導(dǎo)放大器。V在–我外.

該電路既簡(jiǎn)單又便宜。MOSFET 柵極上的電壓設(shè)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(jiǎn)單的晶體管電流鏡是理想的選擇。然而，對(duì)于分立電路，匹配晶體管的高價(jià)格（由于需求有限，而不是任何制造困難）使得圖5所示的運(yùn)算放大器電流鏡成為最便宜的技術(shù)。該電流鏡使用一個(gè)跨導(dǎo)放大器和一個(gè)附加電阻。

圖5.運(yùn)算放大器電流鏡。

電流鏡具有相對(duì)較高的，有時(shí)是非線(xiàn)性的輸入阻抗，因此它們必須由來(lái)自高阻抗電流源（有時(shí)稱(chēng)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(yùn)算放大器。圖 6 顯示了兩個(gè)低 Z在當(dāng)前鏡像。

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

對(duì)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(guò)檢測(cè)電阻接地，輸出電流從集電極/漏極流向負(fù)載，負(fù)載的另一個(gè)端子連接到直流電源。這并不總是很方便，特別是當(dāng)負(fù)載的一個(gè)端子必須接地時(shí)。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(wèn)題，如圖7所示。

圖7.接地負(fù)載的電流鏡。

如果電流或電壓輸入以地為基準(zhǔn)，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(gè)簡(jiǎn)單的電路使用接地上的電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電源上的電流鏡，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。請(qǐng)注意，電流鏡可能具有增益，因此信號(hào)電流不必與負(fù)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(gè)方向流動(dòng)，但也有可能形成雙極性電流電路。最簡(jiǎn)單和最著名的是Howland電流泵，如圖9所示。這種簡(jiǎn)單的電路存在許多問(wèn)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(huì)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(yùn)算放大器的CMRR必須相當(dāng)好。

圖9.豪蘭電流泵。雙極性電流輸出。

當(dāng)今的高性能儀表放大器（儀表放大器）并不昂貴，因此使用運(yùn)算放大器、儀表放大器和電流檢測(cè)電阻制作雙極性電流源非常簡(jiǎn)單，如圖10所示。這種電路比Howland泵更簡(jiǎn)單，不依賴(lài)于電阻網(wǎng)絡(luò)（與儀表放大器集成的電阻網(wǎng)絡(luò)除外），并且每個(gè)電源的電壓擺幅可能約為500 mV以?xún)?nèi)。

圖 10.雙極性電流運(yùn)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(dāng)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(jiǎn)單的2端子電流源。低電流基準(zhǔn)電壓源ADR291的待機(jī)電流約為10 μA，典型溫度系數(shù)為20 nA/°C。加上一個(gè)負(fù)載電阻，如圖11所示，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是負(fù)載電阻，單位為kΩ。

圖 11.2端子電流源。

如果精度不是問(wèn)題，并且只需要一個(gè)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(duì)于給定的R值，電流可能因器件而異，但它簡(jiǎn)單且便宜。

圖 12.JFET電流源。

我最近需要為一些 LED 供電。幾個(gè)工程師朋友認(rèn)為我很難使他們所需的可變電流電源變暗。事實(shí)上，我很快就修改了一些“黑磚”筆記本電腦電源（在汽車(chē)后備箱銷(xiāo)售中以幾美分的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)）來(lái)完成這項(xiàng)工作。圖13顯示了為L(zhǎng)ED提供恒定電流的簡(jiǎn)單修改。輸出電流小時(shí)，該器件可在固定輸出電壓下正常工作。

圖 13.黑磚開(kāi)關(guān)電源經(jīng)過(guò)修改，用于限流輸出。

為了產(chǎn)生可變電流，將來(lái)自黑磚或本地的基準(zhǔn)電壓源施加到由P1和P2表示的電位計(jì)上。OPA2 和 MOSFET 通過(guò) R1 發(fā)送小電流，導(dǎo)致其兩端出現(xiàn)壓降。負(fù)載電流流經(jīng)檢測(cè)電阻。如果負(fù)載電流引起的檢測(cè)電阻中的壓降超過(guò)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(guò)限值。

本文對(duì)基本電流源概念的討論不是詳細(xì)的應(yīng)用筆記。一些電路需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作來(lái)限制（或耗散）熱量，確保放大器的穩(wěn)定性，不超過(guò)絕對(duì)最大額定值，并計(jì)算可行的性能限值。

審核編輯：郭婷