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模拟电路教程:电流源

时间:2019-08-15 作者:Steve Taranovich 阅读:
什么是电流源?基本电流源其实就是向负载提供电流的电路。本设计实例简单介绍了下面几种电流源:称为电流镜的双晶体管电流源、Widlar电流源、Howland电流源,以及采用分立放大器和电阻器的低成本双极性电流源。

1988年我曾在Burr-Brown公司工作,当时Mark Stitt是我的导师。对于他的早逝,我感到非常震惊。他曾经写过一篇非常精彩的Burr-Brown电流源应用指南,本文的最后将会引用。我会在Planet Analog网站上登出一系列有关模拟和电源基础知识的文章,并提供到EDN网站的链接,那上面有更多文章深入探讨这些主题。

首先,什么是电流源?

基本电流源其实就是向负载提供电流的电路。

图1所示是一个简单的双极结型晶体管(BJT)电流源。

DI1-F1-201908.jpg
图1:由单个BJT做成的简单电流源。

已经从ADI公司退休的大师James Bryant曾说过:“...电流输出在很多情况下都有好处,例如在高噪声环境中用模拟电流环发信号(0mA至20mA和4mA至20mA),以及无需使用光隔离或磁隔离技术,就可以跨大电位差对模拟信号进行电平转换。”

电流镜

我们来看一个称之为电流镜的双晶体管电流源。在图2中,两个晶体管Q1和Q2组合在一起:

DI1-F2-201908.jpg
图2:Q1集电极与基极短路,相当于一个二极管。两个晶体管具有相同的VBE、IB和 IC。参考电流 IREF由R1 设定。

“全威尔逊”架构电流源

REF200采用“全威尔逊”电流源架构,在设计成IC时对电阻器采用激光微调,因此具有高精度,如图3所示。

DI1-F3-201908.jpg
图3:威尔逊电流源是另一种三晶体管架构电流源,其所有晶体管特性相同(这在单块基板的IC中很容易实现)。

为改善电流源的精度和动态范围,在上述电流源中添加第四个晶体管(T4),如图4所示。

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图4:增加T4以提高威尔逊电流镜的精度和动态范围。

Widlar电流源

1969年当我还是纽约大学的本科生时,就对Bob Widlar的Widlar电流源有所了解,但是很遗憾我从未见过他(参见《Bob Widlar cherry-bombs the intercom speaker》)。不过我曾在模拟爱好者聚餐上遇到过他的兄弟Jim Widlar(参见 《Analog Aficionados Dinner 2018: Unique analog moments》)。

图5所示的Widlar电流源采用kΩ范围的低阻值电阻,这对IC设计非常有利,因为1MΩ的电阻会占据IC相当大的面积。

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图5:Widlar电流源通常用在运算放大器差分晶体管对的前端。

Howland电流源

与上述单极架构的电流源不同,Howland电流泵具有双极性输出,见图6。

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图6:Howland电流泵架构需要精确匹配的电阻,这在IC中很容易通过激光微调实现,但在分立电路设计中却不容易实现。

采用分立放大器和电阻器的低成本双极性电流源

我们还可以采用以下器件来设计双极性电流源:一个运算放大器、一个仪表放大器和一个用来检测反馈配置中输出电流水平的电阻。如图7所示。

DI1-F7-201908.jpg
图7:用于分立电路设计的双极电流运算放大器架构。

本文仅提供了一小部分电流源电路和架构,更多教程请参见Planet Analog网站(https://www.planetanalog.com)。

(原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站,参考链接:An Analog Tutorial: Current sources。)

本文为《电子技术设计》2019年8月刊杂志文章。

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Steve Taranovich
EDN资深技术编辑。Steve Taranovich是EE Time姊妹网站Planet Analog的主编,也是EDN的高级技术编辑。 Steve在电子行业拥有40年的从业经验。 他在纽约布鲁克林理工大学获得电子工程硕士学位,在纽约布朗克斯纽约大学获得BEEE学位。 他还是IEEE长岛教育活动委员会主席。 他在Burr-Brown和德州仪器公司工作多年,在模拟设计方面有丰富的经验,并有着嵌入式处理的教育背景。 Steve做了16年的电路设计工程师,随后他成为Burr-Brown Corp的首批现场应用工程师之一,并成为他们首批前往欧洲、印度和中国的全球客户经理之一。
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