四種常見恒電流源電路的比較分析

阿布拉江·斯地克，米娜瓦爾·吾買爾

（喀什大學物理與電氣工程學院，新疆 喀什 844000）

0 引言

恒流源，顧名思義就是不論接什么負載都能輸出期望的恒定的電流.恒流源是一種能夠向負載提供穩定電流的電源，是一種寬頻譜、高精度的直流穩流信號源，其具有響應速度快、恒流精度高、穩定持久、適應各種負載等優點.恒流源在電子電路、現代醫學、通信技術、國防工業、光電領域、實驗教學、工業自動化、儀器儀表、機器人、通訊、照明等領域都被廣泛使用[1]；在半導體測試、傳感器技術、電子測量、激光、超導、航天[2]、計量測試領域、飛行器運動參數的激勵[3]等科學研究領域也得到普遍應用.另外，高穩定度的恒流源是電子顯微鏡、粒子加速器、質譜儀以及β 譜儀等現代儀器中產生穩定磁場的核心電源系統之一，應用領域也十分廣闊[4].同時，恒流源在工業檢測領域的應用也越來廣泛，如在金屬薄膜電阻率的測量、金屬絲楊氏模量測量、電氣觸點的微電阻測量以及光電池特性的測量[5]等方面的應用；毫安級數控恒流源有著高分辨率、高準確度和穩定性、精確控制等優點，其電路更是在精密智能儀器和傳感檢測技術中有著廣泛的應用[6].如今，恒流源大量用于激光器的驅動電源[7]、生物電阻抗譜測量中.恒流源還常作為以上眾多領域的驅動電源，其穩定性和精度對系統穩定具有非常重要的意義[8].恒流源信號的精確度和穩定性直接影響到產品的質量和試驗的結果，在日常社會生產和生活中也發揮著十分重要的作用[9].除了以上“弱電”領域里的恒流源外，恒流源在“強電”領域也開始得到廣泛應用，如三相恒流源、高功率恒流源等.

本文對幾種常見穩恒恒流源電路加以分類和分析.恒流源的種類繁多，如按照恒流器件的不同可分為晶體管恒流源、場效應管恒流源和集成電路恒流源三類，但他們之間類型劃分并非嚴格.在電子技術領域內，一般把恒流源分為以下四種：單管恒流源、運算放大器里的恒流源、電流反饋性（尤其是深度負反饋條件下）恒流源和電壓—電流轉換型恒流源（負反饋和正反饋同時存在，如豪蘭德電路）.下面就對上述四種恒流源的可行性、準確度和負載的允許范圍進行分析.

1 單管恒流源

一只晶體三極管或場效應管本身是一個不錯的恒流源，從它們的輸出特性曲線可以看出UCE或UDS在線性區的變化范圍內變化時，集電極電流或漏極電流不會有明顯的變化，也就是具有恒流特性.在要求不太高的情況下晶體三極管可以做恒流源用.尤其是結型場效應管和耗盡型MOS 管是簡單又實用的一個恒流源，不需要用其它電阻或元件.柵極直接與源極相連（UGS=0）便可得到簡單的電流源[10].圖1 是由N 溝道結型場效應管組成的恒流源電路.該電路沒有輸入信號，場效應管的各項參數、電源電壓決定其輸出電流，其主要用在需要固定電流的場合，如偏置電路；也可在整個電路中替代放大電路某一個電阻等，如直流負載電阻等.

圖1 單管恒流源電路

圖1 的場效應管的夾斷電壓UGS(off)=-1V,飽和漏極電流IDSS=1mA.為保證負載電阻上的電流為恒流，可以計算RL的取值范圍.從電路圖1 可知UGS=0，因而ID=IDSS=1mA，UGS=0 時的預夾斷電壓UDS=UGS-UGS(off)=[0 -(-1)]V=1V，而UDS=VDD-IDRL，所以保證負載電阻為恒流源的最大輸出電壓Uomax=12V -1V=11V，輸出電壓范圍為0～11 V，所以負載電阻的取值范圍為0～11 kΩ.該恒流源是直接調整型恒流源，通過調整電源電壓就可以獲得所需要的負載電流，實驗結果如表1所示.

表1 負載電阻和負載電流的數值關系

由表1 可以看出，實驗結果與計算結果基本上吻合.當負載電阻大于11 kΩ 后，負載電流值開始呈下降趨勢，在此范圍內該電路為恒流源.在恒流特性要求不太高的情況下，甚至在更大的負載電阻范圍內，該恒流源可以使用在分立元件差分放大器、小規模集成電路等中.當然，輸出電壓在此范圍內隨負載電阻的變化而呈線性變化.為了保證電路的恒流特性，最重要的是場效應管的輸出特性應該接近理想，即輸出電流應平行于橫軸，當然電壓源輸出電壓也應該穩定.

2 運算放大器里的恒流源

圖2是鏡像電流源的標準電路，是運算放大器里的典型電流源.下面推導輸出電流即負載電阻所通過的電流IRL.

圖2 標準鏡像電流源

圖2 中兩只晶體管參數完全相同，β1=β2，ICEO1=ICEO2.由于兩晶體管具有相同的基—射極間電壓(VBE1=VBE2)，故

表2 負載電阻和負載電流的數值關系

標準鏡像電流源雖然簡單，但恒流特性在一定范圍內相當的好，小、中規模集成電路和其他分離元件電路都可以用它提供穩定電流.它也可以當作大阻值電阻，用在直流通路和放大器中提高放大倍數.為了提高恒流特性，應盡量挑選相互對稱的三極管，且電阻R的準確度也很重要.這里實測值稍低于仿真值，因為實測時兩只三極管不完全對稱.除了鏡像電流源外，運算放大器里的恒流源單元電路還有微電流源、高輸出阻抗電流源（Wilson）、組合電流源和維德拉（Widlar）[12]電流源電路.他們的工作原理基本相同，各有各的特點和用途.如：鏡像電流源電流大（毫安級），適合做偏值電阻；比例電流源和微電流源的電流小（微安級）；高輸出阻抗電流源的輸出非常穩定；組合電流源可以提供多路穩定電流.

3 電流反饋性恒流源

一個比較典型的電流反饋性恒流源的電路如圖3 所示.它是由運算放大器組成的負反饋放大電路.

圖3 由運放組成的電流反饋性恒流源

該電路實際上是電流并聯負反饋.從負反饋效果最佳角度要求，這種電路適用于高內阻的電流信號源，故Rs的影響可以忽略的[10].運放是理想的，可以滿足深度負反饋的條件，即運放同相和反相輸入電阻都無窮大，所以反向輸入電流為零；又因為運放放大倍數無窮大，所以同相和反相電位相等，輸入電壓為零.由此得到：

上式說明R和Rf兩電阻一定時，輸出電流是輸入電源電流的函數，輸入電流不變，輸出電流也不變；也就是輸出負載電流實際上跟負載的大小無關，具有恒流特性.表3 是電源電壓一定(100 mV，電源內阻為1 kΩ)時，負載電阻不同時通過實驗確定的恒流范圍.

表3 電流反饋性恒流源的負載電阻和輸入輸出電流的數值關系

通過分析以上實驗數據可以得出以下結論：由運放組成的電流反饋性恒流源電路負載電阻不能超過10 kΩ，超過10 kΩ，輸入和輸出電流都開始下降，喪失橫流特性.如果信號源能夠輸出足夠大的電流，則引入電流并聯負反饋可以增強放大電路的恒流特性.對由運放組成的電流反饋性恒流源電路來說，輸入電壓源的內阻應該無窮小，因為它直接影響輸出電流的穩定性.其次，按照仿真值負載電阻可以增加到22 kΩ，但以實測值為準.

4 電壓-電流轉換型恒流源

4.1 一般電路

如圖4 所示的的是一個基本反相比例運算電路，其就有恒流特性，即.只不過該電路負載沒有接地，負載電流和電壓容易受干擾的影響，放大電路的穩定性也不理想，所以實際應用中不能用該電路.我們可以用豪蘭德（Howland）電路解決上述問題.

圖4 一般電壓-電流轉換電路

4.2 Howland 電流源電路

Howland 電流源電路（Howland current source circuit，HCSC）作為一類通用的壓控電流源（volt?age controlled current source，VCCS）電路，由于其結構簡單、性能優良，被廣泛用于生物信號的采集與測量[13].圖5 所示為標準Howland 電流源電路，其電路結構的特點是在運放電路中同時存在由R2、R1 構成的負反饋回路以及由R3 和R 構成的正反饋回路.

圖5 標準Howland 電流源電路

因為集成運放有“虛短”和“虛斷”的特點，同相和反相輸入電壓相等，R1 和R2 電壓也相等，則,因而反相端的電位為

同相輸入端的基爾霍夫電流方程為

因而同相輸入端的電位為

利用同相和反相電位相等關系并將等式整理[14]，可得消去公因子，到得電流的表達式.該式表示負載電流跟輸入電壓電阻R有關；或電阻R一定的情況下只有輸入電壓有關，而負載電阻無關，既有恒流特性，也具有電壓-電流轉換特性.表4為輸入電壓為100 mV時,Howland 電流源電路不同負載電阻負載電流實測結果.

表4 標準Howland 電流源電路的負載和輸出電流的數值關系

由表4 可知，負載電阻在0～30 kΩ 的范圍之內輸出電流基本不變，恒流特性相當好.適當改變R1,R2,R3,R和輸入電壓，可以獲得想要的穩定電流，只要保證這四個電阻滿足R2∶R1=R3∶R的比值關系就行.因為該電路兩種反饋達到平衡，輸出電流的仿真和實測值基本一致.除了上述標準Howland電流源外，還有橋式Howland 電流源電路[13]和帶緩沖反饋的Howland 電流源電路（實用的電壓-電流轉換電路）[14]，它們的恒流原理跟標準Howland 電路基本一樣.橋式Howland 電流源電路的動態輸出范圍明顯大于另外兩種電流源電路，而帶緩沖反饋的Howland 電流源電路的表達式為.與一般電壓-電流轉換電路相比，就是少了一個負號.

5 結論

本文對單管恒流源、運算放大器里的恒流源、電流反饋性恒流源和電壓——電流轉換型恒流源（Howland 電流源）電路的性能進行了對比分析.主要討論的是負載變化對輸出電流的影響，確定了每一種電路的負載變化允許范圍，提出了提高輸出電流的穩定性的一般方法，并對仿真數據與實測數據進行比較分析.影響恒流源輸出電流穩定度的直接因素是運算放大器、三極管和場效應管的理想程度、穩定性、采樣電阻的變化及放大器自身參數的變化；間接因素是電阻器阻值的準確度、彼此間的比例關系等.Howland 電流源對輸出電流進行采樣反饋，既消除了前面三種電路的輸出電流精度低、穩定性差的問題，又將傳統恒流源電路的優點進行了結合，并可線性調節輸出電流.How?land 電流源有效減小輸出紋波電流，提高了電流輸出精度，并且電流輸出穩定性也得到改善，電流輸出范圍也進一步拓寬[13].在電路設計中，沒有最好的電路只有最合適的電路，截至目前以上四種類型的電路都仍然是很多應用設計最佳選擇的電路.