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。我將在本刊中介紹一系列有關類比和電源的基礎知識,文中將連結到更深入探討該應用指南的一些主題。

首先,什麼是電流源(current sources)?

基本的電流源其實就是向負載提供電流的電路。

圖1所示是一個簡單的雙極接面電晶體(BJT)電流源:

Analog Tutorial: Current sources, P1

圖1:由單個BJT2組成的簡單電流源。

從ADI退休的大師James Bryant曾說過:「...電流輸出在很多情況下都具有好處,例如在高雜訊環境中用類比電流迴路發送訊號(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類比訊號進行電平轉換。」

電流鏡

我們來看一個稱之為「電流鏡」(Current Mirror)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:

Analog Tutorial: Current sources, P2

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。

Full Wilson架構電流源

REF200採用「全威爾遜」(Full Wilson)電流源架構,如果它在設計中採用電阻器進行雷射微調,則可提供很高的精度,如圖3所示。

Analog Tutorial: Current sources, P3

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

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

Analog Tutorial: Current sources, P4

圖4:增加T4以提高Wilson電流鏡的精度和動態範圍。

Widlar電流源

1969年當我還在紐約大學(NYU)唸書時,就對Bob Widlar的Widlar電流源有所瞭解,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Analog Aficionado社群的聚餐上遇到過他的兄弟Jim Widlar(參見《Analog Aficionados Dinner 2018: Unique analog moments》)。

圖5所示的Widlar電流源採用kΩ範圍的較低數值電阻,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。

Analog Tutorial: Current sources, P5

圖5:Widlar電流源通常用在運算放大器差分電晶體對的前端。

Howland電流源

相較於上述單極架構的電流源,Howland電流泵(Howland Pump)具有雙極輸出,見圖6

Analog Tutorial: Current sources, P6

圖6:Howland電流泵架構需要精確匹配的電阻,這在IC中很容易透過雷射微調實現,但在離散式電路設計中卻不容易實現。

採用離散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元件來設計雙極電流源:一個運算放大器、一個儀表放大器以及一款用來檢測回饋配置中輸出電流級的電阻。如圖7所示。

Analog Tutorial: Current sources, P7

圖7:用於離散式電路設計的雙極電流運算放大器架構。

本文僅提供了一小部份的電流源電路和架構,未來我將陸續介紹更多的教程

(參考原文:An Analog Tutorial: Current sources,by Steve Taranovich)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年8月號