电流输出电路技术为您的模拟工具箱增添多功能性

尽管模拟电路课程中教授电流镜和电路（如Howland电流源），但令人惊讶的是，在定义精密模拟电路的输出时，许多工程师倾向于只考虑电压。这很遗憾，因为电流输出在许多情况下都具有优势，包括在高噪声环境中的模拟电流环路信号（0 mA至20 mA和4 mA至20 mA），以及在不使用光学或磁隔离技术的情况下在大电位差上对模拟信号进行电平转换。本文总结了一些可用的技术，并提出了一些有用的电路。

获得稳定的电流输出非常容易。最简单的方法使用电流镜：如图1所示连接两个相同的晶体管（在同一芯片上制造，因此它们的工艺、几何形状和温度都相同）。两个器件的基极-发射极电压相同，因此流经T2集电极的输出电流与流经T1集电极的输入电流相同。

图1.基本电流镜。

该分析假设T1和T2相同且等温，并且它们的电流增益如此之大，以至于基极电流可以忽略不计。它还忽略了早期电压，这会导致集电极电流随集电极电压的变化而变化。

这些电流镜可以用NPN或PNP晶体管制成。通过并联连接的n个晶体管形成T2，输出电流将是输入电流的n倍，如图2a所示。如果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。

图2.（a） 多级电流镜和 （b） 非整数比电流镜。

三个 T2 收集器可以连接起来得到 3I在.

如果早期电压的影响很重要，则可以通过使用稍微复杂的Wilson电流镜将其最小化。三晶体管和四晶体管版本如图3所示。四晶体管版本更精确，动态范围更宽。

图3.威尔逊电流镜。T4 是可选的，但提高了精度和动态范围。

当需要跨导放大器（voltage_in/current_out）时，可以使用单电源运算放大器、BJT或FET（MOSFET通常是最佳选择，因为没有基极电流误差）和定义跨导的精密电阻，如图4所示。

图4.跨导放大器。V在–我外.

该电路既简单又便宜。MOSFET 栅极上的电压设置了 MOSFET 和 R1 中的电流，使得 V1（R1 两端的电压）等于输入电压 V在.

如果单片IC内部需要电流镜，则简单的晶体管电流镜是理想的选择。然而，对于分立电路，匹配晶体管的高价格（由于需求有限，而不是任何制造困难）使得图5所示的运算放大器电流镜成为最便宜的技术。该电流镜使用一个跨导放大器和一个附加电阻。

图5.运算放大器电流镜。

电流镜具有相对较高的，有时是非线性的输入阻抗，因此它们必须由来自高阻抗电流源（有时称为刚性电流源）的电流馈电。如果输入电流必须具有低阻抗灌电流，则需要运算放大器。图 6 显示了两个低 Z在当前镜像。

图6.（a） 反转低 Z在电流镜和 （b） 同相低 Z在当前镜像。

对于基本电流镜和电流源，输入和输出电流极性相同。通常，输出晶体管的发射极/源极直接或通过检测电阻接地，输出电流从集电极/漏极流向负载，负载的另一个端子连接到直流电源。这并不总是很方便，特别是当负载的一个端子必须接地时。如果电路的发射极/源极可能构建在直流电源上，则这不是问题，如图7所示。

图7.接地负载的电流镜。

如果电流或电压输入以地为基准，则必须使用电平转换。可以使用各种电路，但图8所示的系统适用于许多情况。这个简单的电路使用接地上的电流源来驱动直流电源上的电流镜，从而驱动负载。请注意，电流镜可能具有增益，因此信号电流不必与负载电流一样大。

图8.电平转换电流镜。

到目前为止，我们讨论的电路是单极性的，即电流沿一个方向流动，但也有可能形成双极性电流电路。最简单和最著名的是Howland电流泵，如图9所示。这种简单的电路存在许多问题：它需要非常精确的电阻匹配才能获得高输出阻抗;输入源阻抗会增加R1的电阻，因此必须非常低，以最小化匹配误差;电源电压必须大大高于最大输出电压;运算放大器的CMRR必须相当好。

图9.豪兰电流泵。双极性电流输出。

当今的高性能仪表放大器（仪表放大器）并不昂贵，因此使用运算放大器、仪表放大器和电流检测电阻制作双极性电流源非常简单，如图10所示。这种电路比Howland泵更简单，不依赖于电阻网络（与仪表放大器集成的电阻网络除外），并且每个电源的电压摆幅可能约为500 mV以内。

图 10.双极性电流运算放大器

到目前为止，我们考虑的电路是具有精密电流输出的放大器。当然，它们可以与固定输入一起使用作为精确的电流源，但可以构建更简单的2端子电流源。低电流基准电压源ADR291的待机电流约为10 μA，典型温度系数为20 nA/°C。加上一个负载电阻，如图11所示，3 V至15 V电源范围内的基准电流为（2.5/R + 0.01） mA，其中R是负载电阻，单位为kΩ。

图 11.2端子电流源。

如果精度不是问题，并且只需要一个刚性单极性电流源，则可以使用耗尽模式JFET和电阻构建电流源。如图12所示，这种布置在温度上不是特别稳定，对于给定的R值，电流可能因器件而异，但它简单且便宜。

图 12.JFET电流源。

我最近需要为一些 LED 供电。几个工程师朋友认为我很难使他们所需的可变电流电源变暗。事实上，我很快就修改了一些“黑砖”笔记本电脑电源（在汽车后备箱销售中以几美分的价格购买）来完成这项工作。图13显示了为LED提供恒定电流的简单修改。输出电流小时，该器件可在固定输出电压下正常工作。

图 13.黑砖开关电源经过修改，用于限流输出。

为了产生可变电流，将来自黑砖或本地的基准电压源施加到由P1和P2表示的电位计上。OPA2 和 MOSFET 通过 R1 发送小电流，导致其两端出现压降。负载电流流经检测电阻。如果负载电流引起的检测电阻中的压降超过R1两端的压降，则OPA1的输出将上升，覆盖砖中的电压控制，并限制其输出电压以防止输出电流超过限值。

本文对基本电流源概念的讨论不是详细的应用笔记。一些电路需要进一步的设计工作来限制（或耗散）热量，确保放大器的稳定性，不超过绝对最大额定值，并计算可行的性能限值。

审核编辑：郭婷