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ADI:电流输出电路技能为您的模仿工具箱增加多样性

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 虽然诸如Howland电流源等电流镜和电路在教

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

尽管比方Howland电流源等电流镜和电路在教学时归于模仿电路部分,依然有适当一部分的工程师在界说精细模仿电路输出时倾向于从电压的视点来考虑问题。 这很可惜,因为电流输出可在多方面供给优势,包含高噪声环境下的模仿电流环路信号(0 mA至20 mA和4 mA至20 mA),以及在不凭借光学或磁性阻隔技能的情况下针对较大电位差进行模仿信号电平转化。 本文总结了一部分现有技能,并供给多款有用电路。

得到安稳的电流输出是极端简略的作业, 最简略的办法便是运用电流镜: 两个完全相同的晶体管——选用同一块芯片制作,然后工艺、尺度和温度都完全一致——如图1所示相连。两个器材的基极-射极电压相同,因而流入集电极T2的输出电流等于流入集电极T1的输入电流。

Figure 1
图1. 根本电流镜

此剖析假定T1和T2相同且等温,而且它们的电流增益极高,以至于可疏忽基极电流。 它还会疏忽前期电压,使集电极电流随集电极电压改动而改动。

可选用NPN或PNP晶体管组成这些电流镜。 将 n 个晶体管并联组成T2,则输出电流为输入电流的n倍,如图2a所示。 若T1由m个晶体管组成,T2由n个晶体管组成,则输出电流将是输入电流的n/m倍,如图2b所示。

Figure 2
图2. (a) 多级电流镜 (b) 非整数份额电流镜可将3个T2集电极结合起来,得到3IIN.

若前期电压影响很大,则可运用略为杂乱的威尔逊电流镜降至最低。 3晶体管和4晶体管版别如图3所示。4晶体管版别更为准确,且具有更宽的动态规模。

Figure 3
图3. 威尔逊电流镜 T4为可选器材,但运用它可改进精度和动态规模

需求跨导放大器(voltage_in/current_out)时,可运用一个单电源运算放大器、一个BJT或FET(MOSFET一般是最佳挑选,因为它不存在基极电流差错)以及一个界说跨导值的精细电阻来组成,如图4所示。

Figure 4
图4. 跨导放大器 VIN – IOUT.

该电路简略、价格不高。 MOSFET栅极上的电压可设置MOSFET中的电流和R1,使R1上的电压V1等于输入电压VIN.

若单芯片IC中需求用到电流镜,则最好运用简略的晶体管电流镜。 但是,若选用分立式电路,其匹配电阻昂扬的价格(价格高是因为需求量有限,而非制作困难)将使图5中的运算放大器电流镜成为最廉价的技能。 该电流镜由跨导放大器和一个额定的电阻组成。

Figure 5
图5. 运算放大器电流镜

电流镜具有相对较高、有时非线性的输入阻抗,因而它们有必要由高阻抗电流源(有时亦称为刚性电流源)供给电流。 若输入电流有必要具有低阻抗吸电流才能,则需运用运算放大器。 图6所示为两个低ZIN电流镜。

Figure 6
图6. (a) 低 ZIN电流镜反相(b) 低ZIN电流镜同相

选用根本电流镜和电流源,则输入和输出电流极性相同。 一般,输出晶体管的射极/源极直接或经过检测电阻接地,且输出电流从集电极/漏极流入负载,其他端子衔接直流电源。 这样做并非总是很便利,特别当负载的一个端子需接地时。 如图7所示,若电路选用其直流电源的射极/源极来构建,则不存在此问题。

Figure 7
图7. 接地负载电流镜

若电流或电压输入参阅地,则有必要运用电平转化。 有多个电路能够完成;而图8中的体系在许多场合下都适用。 这款简略的电路选用接地电流源驱动直流电源上的电流镜,然后驱动负载。 留意,电流镜可能有增益,因而信号电流不需求像负载电流那么高。

Figure 8
图8. 电平转化电流镜

目前为止,咱们评论的电路都是单极性的——电流在一个方向上活动——但双极性电流电路也是可行的。 最简略、运用最广泛的当数Howland电流泵,如图9所示。这款简略的电路有许多问题: 它对电阻匹配的精度要求极高,以取得高输出阻抗;输入源阻抗会添加R1电阻,因而它的数值有必要非常低以最大程度下降匹配差错;电源电压有必要比最大输出电压高得多;而且运算放大器的CMRR功能有必要相对杰出。

Figure 9
图9. Howland电流泵 双极性电流输出

现在,高功能外表放大器价格不高,因而运用一个运算放大器、一个外表放大器和一个电流检测电阻组成双极性电流源极为便利,如图10所示。这类电路比Howland电流泵要更为简略,不依赖于电阻网络(除了集成外表放大器的那种),且电压摆幅在每个电源的500 mV以内。

Figure 10
图10. 双极性电流运算放大器

目前为止,咱们评论的电路都是具有精细电流输出的放大器。 当然,它们能够与固定输入一起运用,供给精细电流源,但构建一个更简略的双端电流源也是可行的。 低电流基准电压源ADR291 具有10 μA左右的待机电流,典型温度系数为20 nA/°C。 如图11所示,参加负载电阻后,则3 V至15 V电源规模内的基准电流为(2.5/R + 0.01) mA,其间R为负载电阻,单位是kΩ。

Figure 11
图11. 双端电流源

若精度不是问题,且只要求刚性单极性电流源,则能够选用耗尽型JFET和一个电阻组成电流源。 如图12所示,这种装备在温度发生改动时并不非常安稳,且关于给定的R值,各器材的电流可能有适当大的差异,但该装备简略而廉价。

Figure 12
图12. JFET电流源

最近,我需求为某些LED规划电源。 有一些工程师朋友以为我在规划供LED进行调光的可变电流源时会遇到一些困难。 事实上,我仅仅简略地改装了笔记本电脑的”黑砖头”电源(花几美分从跳蚤市场买的)就搞定了。 图13显现的是经过简略修正的电源电路,可为LED供给恒定电流。 选用小输出电流,它能够固定输出电压正常作业。

Figure 13
图13. 修正黑砖头开关电源以供给限流输出

为了得到可变的电流,将基准电压——来自黑砖头或本地——施加于P1和P2所代表的电位计。 OPA2和MOSFET经过R1输出小电流,在其上发生压降。 负载电流流过检测电阻。 若检测电阻上的电压因为负载电流超越R1上的压降而有所下降,那么OPA1输出将上升,掩盖砖头中的电压操控,并约束其输出电压,避免输出电流超越限值。

本文关于根本电流源设想的评论并不等同于具体的使用笔记。 某些电路要求进行进一步规划以约束发热或散热,然后保证放大器的安稳性以及不超越肯定最大额定值,并核算实践功能限值。 有关这些电路的更具体剖析,请参阅优异的电子教材,比方ADI网站,乃至维基百科。

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