四種常見(jiàn)恒電流源電路的比較分析

阿布拉江·斯地克，米娜瓦爾·吾買爾

（喀什大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院，新疆 喀什 844000）

0 引言

恒流源，顧名思義就是不論接什么負(fù)載都能輸出期望的恒定的電流.恒流源是一種能夠向負(fù)載提供穩(wěn)定電流的電源，是一種寬頻譜、高精度的直流穩(wěn)流信號(hào)源，其具有響應(yīng)速度快、恒流精度高、穩(wěn)定持久、適應(yīng)各種負(fù)載等優(yōu)點(diǎn).恒流源在電子電路、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、通信技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、光電領(lǐng)域、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、機(jī)器人、通訊、照明等領(lǐng)域都被廣泛使用[1]；在半導(dǎo)體測(cè)試、傳感器技術(shù)、電子測(cè)量、激光、超導(dǎo)、航天[2]、計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域、飛行器運(yùn)動(dòng)參數(shù)的激勵(lì)[3]等科學(xué)研究領(lǐng)域也得到普遍應(yīng)用.另外，高穩(wěn)定度的恒流源是電子顯微鏡、粒子加速器、質(zhì)譜儀以及β 譜儀等現(xiàn)代儀器中產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)的核心電源系統(tǒng)之一，應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣闊[4].同時(shí)，恒流源在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)廣泛，如在金屬薄膜電阻率的測(cè)量、金屬絲楊氏模量測(cè)量、電氣觸點(diǎn)的微電阻測(cè)量以及光電池特性的測(cè)量[5]等方面的應(yīng)用；毫安級(jí)數(shù)控恒流源有著高分辨率、高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性、精確控制等優(yōu)點(diǎn)，其電路更是在精密智能儀器和傳感檢測(cè)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用[6].如今，恒流源大量用于激光器的驅(qū)動(dòng)電源[7]、生物電阻抗譜測(cè)量中.恒流源還常作為以上眾多領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)電源，其穩(wěn)定性和精度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定具有非常重要的意義[8].恒流源信號(hào)的精確度和穩(wěn)定性直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和試驗(yàn)的結(jié)果，在日常社會(huì)生產(chǎn)和生活中也發(fā)揮著十分重要的作用[9].除了以上“弱電”領(lǐng)域里的恒流源外，恒流源在“強(qiáng)電”領(lǐng)域也開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用，如三相恒流源、高功率恒流源等.

本文對(duì)幾種常見(jiàn)穩(wěn)恒恒流源電路加以分類和分析.恒流源的種類繁多，如按照恒流器件的不同可分為晶體管恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源和集成電路恒流源三類，但他們之間類型劃分并非嚴(yán)格.在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，一般把恒流源分為以下四種：?jiǎn)喂芎懔髟础⑦\(yùn)算放大器里的恒流源、電流反饋性（尤其是深度負(fù)反饋條件下）恒流源和電壓—電流轉(zhuǎn)換型恒流源（負(fù)反饋和正反饋同時(shí)存在，如豪蘭德電路）.下面就對(duì)上述四種恒流源的可行性、準(zhǔn)確度和負(fù)載的允許范圍進(jìn)行分析.

1 單管恒流源

一只晶體三極管或場(chǎng)效應(yīng)管本身是一個(gè)不錯(cuò)的恒流源，從它們的輸出特性曲線可以看出UCE或UDS在線性區(qū)的變化范圍內(nèi)變化時(shí)，集電極電流或漏極電流不會(huì)有明顯的變化，也就是具有恒流特性.在要求不太高的情況下晶體三極管可以做恒流源用.尤其是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS 管是簡(jiǎn)單又實(shí)用的一個(gè)恒流源，不需要用其它電阻或元件.柵極直接與源極相連（UGS=0）便可得到簡(jiǎn)單的電流源[10].圖1 是由N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管組成的恒流源電路.該電路沒(méi)有輸入信號(hào)，場(chǎng)效應(yīng)管的各項(xiàng)參數(shù)、電源電壓決定其輸出電流，其主要用在需要固定電流的場(chǎng)合，如偏置電路；也可在整個(gè)電路中替代放大電路某一個(gè)電阻等，如直流負(fù)載電阻等.

圖1 單管恒流源電路

圖1 的場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)=-1V,飽和漏極電流IDSS=1mA.為保證負(fù)載電阻上的電流為恒流，可以計(jì)算RL的取值范圍.從電路圖1 可知UGS=0，因而ID=IDSS=1mA，UGS=0 時(shí)的預(yù)夾斷電壓UDS=UGS-UGS(off)=[0 -(-1)]V=1V，而UDS=VDD-IDRL，所以保證負(fù)載電阻為恒流源的最大輸出電壓Uomax=12V -1V=11V，輸出電壓范圍為0～11 V，所以負(fù)載電阻的取值范圍為0～11 kΩ.該恒流源是直接調(diào)整型恒流源，通過(guò)調(diào)整電源電壓就可以獲得所需要的負(fù)載電流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 負(fù)載電阻和負(fù)載電流的數(shù)值關(guān)系

由表1 可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本上吻合.當(dāng)負(fù)載電阻大于11 kΩ 后，負(fù)載電流值開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，在此范圍內(nèi)該電路為恒流源.在恒流特性要求不太高的情況下，甚至在更大的負(fù)載電阻范圍內(nèi)，該恒流源可以使用在分立元件差分放大器、小規(guī)模集成電路等中.當(dāng)然，輸出電壓在此范圍內(nèi)隨負(fù)載電阻的變化而呈線性變化.為了保證電路的恒流特性，最重要的是場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性應(yīng)該接近理想，即輸出電流應(yīng)平行于橫軸，當(dāng)然電壓源輸出電壓也應(yīng)該穩(wěn)定.

2 運(yùn)算放大器里的恒流源

圖2是鏡像電流源的標(biāo)準(zhǔn)電路，是運(yùn)算放大器里的典型電流源.下面推導(dǎo)輸出電流即負(fù)載電阻所通過(guò)的電流IRL.

圖2 標(biāo)準(zhǔn)鏡像電流源

圖2 中兩只晶體管參數(shù)完全相同，β1=β2，ICEO1=ICEO2.由于兩晶體管具有相同的基—射極間電壓(VBE1=VBE2)，故

表2 負(fù)載電阻和負(fù)載電流的數(shù)值關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)鏡像電流源雖然簡(jiǎn)單，但恒流特性在一定范圍內(nèi)相當(dāng)?shù)暮?，小、中?guī)模集成電路和其他分離元件電路都可以用它提供穩(wěn)定電流.它也可以當(dāng)作大阻值電阻，用在直流通路和放大器中提高放大倍數(shù).為了提高恒流特性，應(yīng)盡量挑選相互對(duì)稱的三極管，且電阻R的準(zhǔn)確度也很重要.這里實(shí)測(cè)值稍低于仿真值，因?yàn)閷?shí)測(cè)時(shí)兩只三極管不完全對(duì)稱.除了鏡像電流源外，運(yùn)算放大器里的恒流源單元電路還有微電流源、高輸出阻抗電流源（Wilson）、組合電流源和維德拉（Widlar）[12]電流源電路.他們的工作原理基本相同，各有各的特點(diǎn)和用途.如：鏡像電流源電流大（毫安級(jí)），適合做偏值電阻；比例電流源和微電流源的電流?。ㄎ布?jí)）；高輸出阻抗電流源的輸出非常穩(wěn)定；組合電流源可以提供多路穩(wěn)定電流.

3 電流反饋性恒流源

一個(gè)比較典型的電流反饋性恒流源的電路如圖3 所示.它是由運(yùn)算放大器組成的負(fù)反饋放大電路.

圖3 由運(yùn)放組成的電流反饋性恒流源

該電路實(shí)際上是電流并聯(lián)負(fù)反饋.從負(fù)反饋效果最佳角度要求，這種電路適用于高內(nèi)阻的電流信號(hào)源，故Rs的影響可以忽略的[10].運(yùn)放是理想的，可以滿足深度負(fù)反饋的條件，即運(yùn)放同相和反相輸入電阻都無(wú)窮大，所以反向輸入電流為零；又因?yàn)檫\(yùn)放放大倍數(shù)無(wú)窮大，所以同相和反相電位相等，輸入電壓為零.由此得到：

上式說(shuō)明R和Rf兩電阻一定時(shí)，輸出電流是輸入電源電流的函數(shù)，輸入電流不變，輸出電流也不變；也就是輸出負(fù)載電流實(shí)際上跟負(fù)載的大小無(wú)關(guān)，具有恒流特性.表3 是電源電壓一定(100 mV，電源內(nèi)阻為1 kΩ)時(shí)，負(fù)載電阻不同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的恒流范圍.

表3 電流反饋性恒流源的負(fù)載電阻和輸入輸出電流的數(shù)值關(guān)系

通過(guò)分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：由運(yùn)放組成的電流反饋性恒流源電路負(fù)載電阻不能超過(guò)10 kΩ，超過(guò)10 kΩ，輸入和輸出電流都開(kāi)始下降，喪失橫流特性.如果信號(hào)源能夠輸出足夠大的電流，則引入電流并聯(lián)負(fù)反饋可以增強(qiáng)放大電路的恒流特性.對(duì)由運(yùn)放組成的電流反饋性恒流源電路來(lái)說(shuō)，輸入電壓源的內(nèi)阻應(yīng)該無(wú)窮小，因?yàn)樗苯佑绊戄敵鲭娏鞯姆€(wěn)定性.其次，按照仿真值負(fù)載電阻可以增加到22 kΩ，但以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn).

4 電壓-電流轉(zhuǎn)換型恒流源

4.1 一般電路

如圖4 所示的的是一個(gè)基本反相比例運(yùn)算電路，其就有恒流特性，即.只不過(guò)該電路負(fù)載沒(méi)有接地，負(fù)載電流和電壓容易受干擾的影響，放大電路的穩(wěn)定性也不理想，所以實(shí)際應(yīng)用中不能用該電路.我們可以用豪蘭德（Howland）電路解決上述問(wèn)題.

圖4 一般電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

4.2 Howland 電流源電路

Howland 電流源電路（Howland current source circuit，HCSC）作為一類通用的壓控電流源（volt?age controlled current source，VCCS）電路，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，被廣泛用于生物信號(hào)的采集與測(cè)量[13].圖5 所示為標(biāo)準(zhǔn)Howland 電流源電路，其電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在運(yùn)放電路中同時(shí)存在由R2、R1 構(gòu)成的負(fù)反饋回路以及由R3 和R 構(gòu)成的正反饋回路.

圖5 標(biāo)準(zhǔn)Howland 電流源電路

因?yàn)榧蛇\(yùn)放有“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，同相和反相輸入電壓相等，R1 和R2 電壓也相等，則,因而反相端的電位為

同相輸入端的基爾霍夫電流方程為

因而同相輸入端的電位為

利用同相和反相電位相等關(guān)系并將等式整理[14]，可得消去公因子，到得電流的表達(dá)式.該式表示負(fù)載電流跟輸入電壓電阻R有關(guān)；或電阻R一定的情況下只有輸入電壓有關(guān)，而負(fù)載電阻無(wú)關(guān)，既有恒流特性，也具有電壓-電流轉(zhuǎn)換特性.表4為輸入電壓為100 mV時(shí),Howland 電流源電路不同負(fù)載電阻負(fù)載電流實(shí)測(cè)結(jié)果.

表4 標(biāo)準(zhǔn)Howland 電流源電路的負(fù)載和輸出電流的數(shù)值關(guān)系

由表4 可知，負(fù)載電阻在0～30 kΩ 的范圍之內(nèi)輸出電流基本不變，恒流特性相當(dāng)好.適當(dāng)改變R1,R2,R3,R和輸入電壓，可以獲得想要的穩(wěn)定電流，只要保證這四個(gè)電阻滿足R2∶R1=R3∶R的比值關(guān)系就行.因?yàn)樵撾娐穬煞N反饋達(dá)到平衡，輸出電流的仿真和實(shí)測(cè)值基本一致.除了上述標(biāo)準(zhǔn)Howland電流源外，還有橋式Howland 電流源電路[13]和帶緩沖反饋的Howland 電流源電路（實(shí)用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路）[14]，它們的恒流原理跟標(biāo)準(zhǔn)Howland 電路基本一樣.橋式Howland 電流源電路的動(dòng)態(tài)輸出范圍明顯大于另外兩種電流源電路，而帶緩沖反饋的Howland 電流源電路的表達(dá)式為.與一般電壓-電流轉(zhuǎn)換電路相比，就是少了一個(gè)負(fù)號(hào).

5 結(jié)論

本文對(duì)單管恒流源、運(yùn)算放大器里的恒流源、電流反饋性恒流源和電壓——電流轉(zhuǎn)換型恒流源（Howland 電流源）電路的性能進(jìn)行了對(duì)比分析.主要討論的是負(fù)載變化對(duì)輸出電流的影響，確定了每一種電路的負(fù)載變化允許范圍，提出了提高輸出電流的穩(wěn)定性的一般方法，并對(duì)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析.影響恒流源輸出電流穩(wěn)定度的直接因素是運(yùn)算放大器、三極管和場(chǎng)效應(yīng)管的理想程度、穩(wěn)定性、采樣電阻的變化及放大器自身參數(shù)的變化；間接因素是電阻器阻值的準(zhǔn)確度、彼此間的比例關(guān)系等.Howland 電流源對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣反饋，既消除了前面三種電路的輸出電流精度低、穩(wěn)定性差的問(wèn)題，又將傳統(tǒng)恒流源電路的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)合，并可線性調(diào)節(jié)輸出電流.How?land 電流源有效減小輸出紋波電流，提高了電流輸出精度，并且電流輸出穩(wěn)定性也得到改善，電流輸出范圍也進(jìn)一步拓寬[13].在電路設(shè)計(jì)中，沒(méi)有最好的電路只有最合適的電路，截至目前以上四種類型的電路都仍然是很多應(yīng)用設(shè)計(jì)最佳選擇的電路.