模擬電路教程:電流源

2020-11-22 EDN電子設計技術

1988年我曾在Burr-Brown公司工作，當時Mark Stitt是我的導師。對於他的早逝，我感到非常震驚。他曾經寫過一篇非常精彩的Burr-Brown電流源應用指南，本文的最後將會引用。我會在Planet Analog網站上登出一系列有關模擬和電源基礎知識的文章，並提供到EDN網站的連結，那上面有更多文章深入探討這些主題。il1ednc

首先，什麼是電流源？il1ednc

基本電流源其實就是向負載提供電流的電路。il1ednc

圖1所示是一個簡單的雙極結型電晶體（BJT）電流源。il1ednc

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圖1：由單個BJT做成的簡單電流源。il1ednc

已經從ADI公司退休的大師James Bryant曾說過：「...電流輸出在很多情況下都有好處，例如在高噪聲環境中用模擬電流環發信號（0mA至20mA和4mA至20mA），以及無需使用光隔離或磁隔離技術，就可以跨大電位差對模擬信號進行電平轉換。」il1ednc

電流鏡

我們來看一個稱之為電流鏡的雙電晶體電流源。在圖2中，兩個電晶體Q1和Q2組合在一起：il1ednc

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圖2：Q1集電極與基極短路，相當於一個二極體。兩個電晶體具有相同的VBE、IB和 IC。參考電流 IREF由R1 設定。il1ednc

「全威爾遜」架構電流源

REF200採用「全威爾遜」電流源架構，在設計成IC時對電阻器採用雷射微調，因此具有高精度，如圖3所示。il1ednc

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圖3：威爾遜電流源是另一種三電晶體架構電流源，其所有電晶體特性相同（這在單塊基板的IC中很容易實現）。il1ednc

為改善電流源的精度和動態範圍，在上述電流源中添加第四個電晶體（T4），如圖4所示。il1ednc

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圖4：增加T4以提高威爾遜電流鏡的精度和動態範圍。il1ednc

Widlar電流源

1969年當我還是紐約大學的本科生時，就對Bob Widlar的Widlar電流源有所了解，但是很遺憾我從未見過他（參見《Bob Widlar cherry-bombs the intercom speaker》）。不過我曾在模擬愛好者聚餐上遇到過他的兄弟Jim Widlar（參見 《Analog Aficionados Dinner 2018: Unique analog moments》）。il1ednc

圖5所示的Widlar電流源採用kΩ範圍的低阻值電阻，這對IC設計非常有利，因為1MΩ的電阻會佔據IC相當大的面積。il1ednc

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圖5：Widlar電流源通常用在運算放大器差分電晶體對的前端。il1ednc

Howland電流源

與上述單極架構的電流源不同，Howland電流泵具有雙極性輸出，見圖6。il1ednc

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圖6：Howland電流泵架構需要精確匹配的電阻，這在IC中很容易通過雷射微調實現，但在分立電路設計中卻不容易實現。il1ednc

採用分立放大器和電阻器的低成本雙極性電流源

我們還可以採用以下器件來設計雙極性電流源：一個運算放大器、一個儀表放大器和一個用來檢測反饋配置中輸出電流水平的電阻。如圖7所示。il1ednc

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圖7：用於分立電路設計的雙極電流運算放大器架構。il1ednc

本文僅提供了一小部分電流源電路和架構，更多教程請參見Planet Analog網站（https://www.planetanalog.com）。il1ednc

（原文刊登於ASPENCORE旗下Planet Analog網站，參考連結：An Analog Tutorial: Current sources。）il1ednc

本文為《電子技術設計》2019年8月刊雜誌文章。il1ednc

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