恒流源電路圖講解 基于運放和三極管的恒流源電路設計

大家好，這里是程序員 杰克 。一名平平無奇的嵌入式軟件工程師。

最近，杰克又開始不務正業，繼續學習起了硬件電路的設計。本篇推文主要內容包括：運放的虛短和虛斷描述、簡單恒流源電路分析。最后通過一個由三極管/mos管、運算放大器組成的恒流源VI電路示例來演示實際的設計過程。

下面正式進入本章推送的內容。

01 原理介紹&描述

運放的虛短和虛斷

02 恒流源描述&分析

簡單恒流源電路

簡單恒流源電路描述

恒流源電路在硬件電路設計和工程領域中具有廣泛的應用。那么什么是恒流源呢？恒流源的定義：“恒流源是一個可向負載提供 恒定電流 ，即使負載阻抗發生變化時，也能保持輸出恒定電流大小電路”。

恒流源電路分析

恒流源簡單電路如下所示：

分析過程：
1. 根據運放的虛斷路，同向輸入端IN+、反相輸入端IN-連線斷開，R1與RL形成
串聯電路，有：
    I_in = I_RL;

2. 根據運放的虛短路，同向輸入端IN+與反相輸入端IN-形成導線連接到GND，
形成“Vin - >R1 - >IN- - >IN+ - >GND”通路, 有：
    V_R1 = Vin/R1;

3. 綜合上述, 負載電流I_RL = Vin/R1；

恒流源VI電路

恒流源VI電路描述

利用電阻和運放，組成一個電壓向電流轉換(電壓控制電流)的恒流源VI電路。該電路可以把輸入的電壓轉換成對應的電流，常用于使用電壓去控制負載電流的場合。

恒流源VI電路分析

簡單恒流源VI電路如下圖所示：

分析過程:
1. 根據運放的虛斷路，同向輸入端IN+、反相輸入端IN-連線斷開，反相輸入端
的電流幾乎為0, 負載RL的電流完全由運放輸出, RL和RL1組成串聯電路, 有:
    I_RL = I_RL1;

2. 根據運放的虛短路，同向輸入端IN+與反相輸入端IN-形成導線，形成通路:
"Vin - >R1 - >IN+ - >IN- - >RL1 - >GND", R1和RL1組成串聯電路有:
    I_RL1 = Vin * RL1/(R1 + RL1);
    
3. 綜合上述, 負載電流I_RL = Vin * RL1/(R1 + RL1)；

恒流源應用場景

恒流源電路在硬件電路設計和工程領域中具有廣泛的應用。諸如LED激光等恒定電流驅動、電化學分析、精密測量等領域。

03 恒流源VI電路示例

本小節通過一個運算放大器+三極管組成的恒流源VI電路示例，演示恒流源VI電路的設計過程。

示例原理圖&描述

示例原理圖如下所示：

恒流原理分析

恒流原理

示例電路的原理為：當采樣電阻R4的電壓變化（瞬時負載電流變化）時，直接反饋到運放的反相輸入端，它與同相輸入端電壓的差值被運放放大，輸出控制三極管的基極電流，改變三極管的內阻，從而改變發射極與集電極間的電壓降，從而使采樣電阻的電壓保持不變，以達到負載電流恒定的目的。

恒流調節過程

電流計算

對于上述示例原理圖，有如下計算推導過程：

1. 根據運放的虛斷路，有：
    Vin+ = V_R2;
    V_R2 = Vin * R2/(R2 + R1);
    
2. 根據運放的虛短路, 有：
    Vin+ = Vin-;
    Vin- = I_R4 * R4;
    
3. 綜合上述, 負載電流I_R4 = Vin * R2/[(R2 + R1) * R4]；


特別說明：
根據基爾霍夫定律，流經R4的電流 = 負載電流 + 三極管基極電流；但因為基極
電流比較小，此處并未計算進去；

04 文章總結

在運放的世界中，虛短路和虛斷路的分析方法尤其重要。只要熟練掌握虛短和虛斷分析方法，運放、三極管組成的恒流源VI電路的設計和分析就會變得簡單很多。