电流源

　　仪表放大器电流源

　　利用仪表放大器能够轻松构建电流源，图1给出了其拓扑结构。

　　图 1 仪表放大器电流源

　　仪表放大器是带有两个输入以及通常单个输出的器件。输出的计算方法是用输入差值乘以一定的增益。它采用与运算放大器相同的符号。为了区别于运算放大器，我们显示出其增益值。以下方程式定义了其传输函数：

　　增益设为 1 时，输出则为输入的差值。输出电压始终比负载电压 Vload 低 Vset。负载电流的计算方程式如下：

　　将电阻从输出端连接至正输入端。从这个例子中我们可以看出，正反馈不见得总是坏事，有时甚至是好事。尽管存在正反馈，但通过单位增益与反馈电阻的衰减，可确保环路增益小于 1。电流量限于仪表放大器所能提供的范围内。这种拓扑结构并不广为人知，使用也不普遍，主要是由于仪表放大器的成本很高。尽管如此，你仍然可将这种方法记住，没准哪一天能用上。

　　运算放大器电流源

　　运算放大器成本要低廉得多，不过使用任何拓扑结构都必须能够生成差分 x1 增益。使用二极管作为参考电压就能实现上述目的。以下给出的正是这种拓扑结构：

　　图 2 采用二极管参考电压的运算放大器电流源

通过二极管的偏置电流会使负输入端电压比输出端低 1 个二极管压降。负反馈使输入匹配于负载电压，也应比输出电压低 1 个二极管压降，如下方程式所示：

　　负反馈使运算放大器调节其输出，使之与输入电压相匹配，当输出电压比负载电压高 1 个二极管压降时该情况发生。

　　将电阻从输出端连接至正输入端。同样，电阻上的电压是 1 个二极管压降。负载电流由电阻 (Rset) 来设定，如下式所示：

　　现在您可能会想，如果电阻提供正反馈与负反馈，电路怎么还能继续工作呢?没错，电阻确实提供正反馈，但负载的电阻会让其小于单位增益。不过，负反馈不会衰减(仅略微降低)，因此负反馈大于正反馈，净反馈为负。只有偏置电压小于负载电压时，二极管才传导电流。

　　这种电路很容易构建。其主要局限性在于二极管会获得一定的参考电压。压降是温度的函数。不过对许多应用来说，这种性能已经足够了。这种电流源只能支持一组设定的电压值，但是有些应用还需要压控电流源。

　　压控运算放大器电流源

　　我们可以很容易设计出增益为 2 的运算放大器。假设反馈电阻实际就是分压器，负载电压增益为 2，那么衰减后就变成单位增益。图3给出了这种拓扑结构的示意图。

　　图 3 运算放大器可变电流源

　　运算放大器的输出是负载电压的两倍，随后通过一对置位电阻 (set resistor) 衰减。我们针对该分压器采用戴维南 (Thevenin) 等效定理，可以直接得出负载电流，如下式所示：

　　该电路的优势在于，它能支持可变置位电压 (variable set voltage)，而且只需采用一个运算放大器即可。其最大的不足在于工作范围有限。输出电压是负载电压的两倍。具有 ±5 V 电源以及轨至轨输出的运算放大器仅能支持 ±2.5 V的 Vload 范围。

　　改进的压控运算放大器电流源

　　假设信号在翻倍后没有衰减，而是在翻倍之前衰减，那么就可以解决电压范围的局限性问题了。图4示出了这种拓扑结构的示意图。

　　图 4 改进的运算放大器可变电流源


感应电压是负载与置位电压和的一半。增益为“2”可使输出为置位电压与负载电压之和，在Vset和Rset上为固定值。运算放大器输出端的电压是比负载电压更易于管理的置位电压。就上面给出的例子来说，若采用具备 ±5 V电源以及轨至轨输出的运算放大器，那么如果设置电压为 0.5 V，该设计方案就能支持 ±4.5 V 的Vload 范围。这种设计方案的最大局限性在于它需要使用两个运算放大器，第二个运算放大器用于将负载电压与 Rset 电阻相隔离。我们可以采用其他办法来隔离信号，而不需要额外的运算放大器。

　　改进的压控单运算放大器电流源

　　我们此前讨论的电流源采用第二个运算放大器来缓冲衰减器的负载电压。如果将该运算放大器配置为缓冲器，则其在理想情况下具有无穷大的输入阻抗与零输出阻抗。如果将无穷大隔离，那么这种情况的确令人满意。但是，多高才算是无限?作为工程师，我们接受的训练是，应当尽量使问题简单化。工程技术与严谨的科学研究不一样，我们只要达到“非常接近”就足够了。我们可用一个更简单的模型，允许一定的误差，而不必采用精确但更加复杂的模型。这对从事物理科学研究的人来说简直无法容忍，因为他们的模型往往是建立在诸如理想球体、无限长的导线与点的质量等概念的基础上。现实世界中的复杂问题需要采用尽可能简单的模型来解决。鉴于上述情况，我们将无限定义为极大，大到不会造成问题;而将零定义为极小，小到可以忽略。这一定义随具体问题而有所变化。我们可选择远远大于置位电阻的衰减器电阻来实现令人满意的隔离效果。具体拓扑结构如图5所示。

　　图 5 改进的单运算放大器可变电流源

　　就本拓扑结构而言，衰减器电阻与置位电阻之间会有相互影响。负载电压的计算如下式所示：

　　将两个电压项分开，就得到以下方程式：

　　去除隔离缓冲器会使电流略微增加，同时产生寄生阻抗。图6给出其模型。

　　图 6 上一图给出的电流源模型


假设我们要设计一个 20 mA 的电流源，我们决定采用 1 伏特的置位电压、误差为1% 的 49.9 欧姆置位电阻(实际值)。我们把每个衰减器电阻设置为 1M 欧姆。2M 欧姆与 49.9 欧姆并联，实际上就是 49.9 欧姆 (49.89887550)。寄生阻抗为 2M 欧姆。

　　开关电容压控型单运算放大器电流源

　　使用开关电容可以很方便地设计出差分放大器，图7给出其拓扑结构图。

　　图 7 开关电容差分放大器

　　这是一个两级时钟系统，其中：

　　第一级为电压采集;

　　第二级为电荷传输。

　　时钟为重叠式，内置死区，采用所谓“先断后连”的机制，确保无论以何种方式调用它时两级的开关都不会同时打开，即便瞬间同时打开的情况也绝不会出现。

　　在电压采集级，将运算放大器的输出端直接连接至负输入端。负反馈使其电势与正输入端(接地)相同。将与输入电容相邻的一侧设置为 Vinpos，而反馈电容一侧的相邻侧也设置为接地。

　　在电荷传输级，输入电容的输入电压变为 Vinneg。如果电压改变的话，必定会产生一定量的电荷。其电量计算如下：

　　电荷必须流经反馈电容，也就是要通过改变 Vout 来实现，如下所示：

　　其中包括采样保持电路，以便在电荷传输结束时对输出进行采样，并将其转换为持续信号。

　　增益是两个电容之比的函数。如果电容值相同，则增益为 1。

　　为了更好地了解开关电容电路，建议您参阅赛普拉斯半导体公司提供的应用手册 AN2041(了解开关电容模拟块)。

　　使用赛普拉斯的 CY8C27x74 可编程片上系统，我们能用单个开关电容模拟块构建一个如图8所示的电路。

　　图 8 开关电容差分放大器电流源

　　如果输出电压偏离轨高达3/4V，则放大器输出缓冲器可输出/吸入40mA电流。采用这种部件，我们可以实现最多 4 组这样的电流源。

　　还有很多种方法来构建可利用单位增益与正反馈的电流源。