解析基于電流輸出電路技術(shù)的多款實(shí)用電路案例

　　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(lái)考慮問(wèn)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(jiǎn)單的事情， 最簡(jiǎn)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(lái)，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(lái)組成，如圖4所示。

　　圖4. 跨導(dǎo)放大器 VIN- IOUT

　　該電路簡(jiǎn)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(jiǎn)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?，而非制造困難)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(xiàn)性的輸入阻抗，因此它們必須由高阻抗電流源(有時(shí)亦稱(chēng)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(guò)檢測(cè)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(lái)構(gòu)建，則不存在此問(wèn)題。

　　圖7. 接地負(fù)載電流鏡