問題:如果要實現對非線性負載電阻的精準電流輸出,該如何設計這樣的電路?

答案:設計電流輸出元件並不難。很多簡單的電路都能將單極性恆定電流送入可變負載或非線性負載。雙極性電路方案則受到較多限制,但也很簡單。

最近,我需要為某些LED燈設計電源。有一些工程師朋友認為我在設計允許LED調光的可變電流源時會遇到一些困難。事實上,我只是簡單地改裝了筆記型電腦的黑磚(black brick)電源(花一點點錢從跳蚤市場買的)就搞定了。

如果放大器的輸入也是一個恆定電流源(即電流值不隨負載而變化的電流),則通常只需要採用單晶片上(以確保溫度匹配)兩個匹配的雙極接面電晶體(BJT)構成一個電流鏡。電流施加在兩個基極和一個集電極上,兩個發射極接地,另一集電極則流過相等的電流——稍微複雜一些的安排可以改善性能,但是基本電路往往已經足夠。

匹配的NPN型BJT電晶體比匹配的PNP型電晶體更易獲得,但後者也是可以買得到的。對於從正電源流向接地源的電流,電流鏡可以採用兩個匹配的PNP型電晶體以獲得流向接地負載的鏡像電流,但是,也有一些快速電流鏡的動態範圍達106 (1,000,000:1),如ADL5315 和 ADL5317。

對於電壓輸入,您只需要一個運算放大器、一個電晶體(FET或BJT)和一個電阻。輸入訊號施加到運算放大器的同相輸入端,運算放大器驅動電晶體的閘極/基極,電阻一端接地,另一端連接運算放大器的反相輸入端和源極/射極,輸出電流從漏極/集電極流出。

這些電路通常都需進行接地處理,而其負載會連接到一個直流電源。需使用NPN/N通道還是PNP/P通道元件取決於電源極性。如果電流必須驅動一個接地負載,則可將電路連接到電源軌——但是訊號輸入需要進行位準轉換。

如果需要雙極性電流輸出,則可使用標準電壓放大器(可能是運算放大器)通過阻值較小的電流感應電阻驅動負載。放大器的負反饋訊號來自跨接在這個電阻兩端的電流感應放大器。電源電壓必須足以在最差的負載偏置條件下將最大期望電流送入最大負載。

如果一個電路需在可變電壓下得到固定的電流負載,則可採用一個耗盡型JFET,並在其源極和閘極之間連接一個電阻,以構成一個非常簡單的(但溫度不是很穩定)兩端恆流元件——閘極和漏極即為元件的兩個端(如採用N通道JFET,則漏極為正,如採用P通道JFET,則漏極為負)。其電流是透過調節電阻來設定。

在我的另一篇文章——《電流輸出電路技術為您的類比工具箱增添多樣性》(Current-Output Circuit Techniques Add Versatility to Your Analog Toolbox)中詳細介紹了上述電路,並附有圖表,但精準型電流輸出放大器的基本原理其實很簡單。

當我剛開始寫這篇文章時,我本打算描述如何使用一個運算放大器、一個精密參考電壓源、三個電阻和一個電容來構建一個兩端浮動電流源,但現在有一個整合式的解決方案,在ADI的產品目錄中已包含兩款現成的此類元件,多年來我經常在個人專案中使用這些元件,現在我很高興有機會向大家介紹。

它們其實是三端元件—在負電源和參考接腳之間,以及負輸出和負電源之間分別外接一個電阻,以此來決定電流。LT3092 的輸出電流範圍是500μA至200mA,而LT30834的輸出電流範圍是500μA至3A。