恒流源电路图讲解 基于运放和三极管的恒流源电路设计

大家好，这里是程序员 杰克 。一名平平无奇的嵌入式软件工程师。

最近，杰克又开始不务正业，继续学习起了硬件电路的设计。本篇推文主要内容包括：运放的虚短和虚断描述、简单恒流源电路分析。最后通过一个由三极管/mos管、运算放大器组成的恒流源VI电路示例来演示实际的设计过程。

下面正式进入本章推送的内容。

01 原理介绍&描述

运放的虚短和虚断

特征	描述
虚短	当运放工作在线性放大区时，认为同相输入端和反相输入端 短路 。有：Vin+ = Vin-；个人理解：放大器引脚IN+与IN-连接成一根导线
虚断	当运放工作在线性放大区时，认为同相输入端、反相输入端都与运放 断路 ，即没有电流流入运放。有Vin = Vin+，I+ = 0，I- = 0；个人理解 ：放大器引脚IN+、IN-引脚与PCB的连线断开

02 恒流源描述&分析

简单恒流源电路

简单恒流源电路描述

恒流源电路在硬件电路设计和工程领域中具有广泛的应用。那么什么是恒流源呢？恒流源的定义：“恒流源是一个可向负载提供 恒定电流 ，即使负载阻抗发生变化时，也能保持输出恒定电流大小电路”。

恒流源电路分析

恒流源简单电路如下所示：

分析过程：
1. 根据运放的虚断路，同向输入端IN+、反相输入端IN-连线断开，R1与RL形成
串联电路，有：
    I_in = I_RL;

2. 根据运放的虚短路，同向输入端IN+与反相输入端IN-形成导线连接到GND，
形成“Vin - >R1 - >IN- - >IN+ - >GND”通路, 有：
    V_R1 = Vin/R1;

3. 综合上述, 负载电流I_RL = Vin/R1；

恒流源VI电路

恒流源VI电路描述

利用电阻和运放，组成一个电压向电流转换(电压控制电流)的恒流源VI电路。该电路可以把输入的电压转换成对应的电流，常用于使用电压去控制负载电流的场合。

恒流源VI电路分析

简单恒流源VI电路如下图所示：

分析过程:
1. 根据运放的虚断路，同向输入端IN+、反相输入端IN-连线断开，反相输入端
的电流几乎为0, 负载RL的电流完全由运放输出, RL和RL1组成串联电路, 有:
    I_RL = I_RL1;

2. 根据运放的虚短路，同向输入端IN+与反相输入端IN-形成导线，形成通路:
"Vin - >R1 - >IN+ - >IN- - >RL1 - >GND", R1和RL1组成串联电路有:
    I_RL1 = Vin * RL1/(R1 + RL1);
    
3. 综合上述, 负载电流I_RL = Vin * RL1/(R1 + RL1)；

恒流源应用场景

恒流源电路在硬件电路设计和工程领域中具有广泛的应用。诸如LED激光等恒定电流驱动、电化学分析、精密测量等领域。

03 恒流源VI电路示例

本小节通过一个运算放大器+三极管组成的恒流源VI电路示例，演示恒流源VI电路的设计过程。

示例原理图&描述

示例原理图如下所示：

序号	描述
①	主控IC输出PWM，经过⑤阻容滤波电路滤波后，输出恒定的直流电压Vin
②	R1和R2组成的串联电路，R2的对Vin的分压V_R2作为运放的Vin+
③	R4作为负载电流的调节电阻
④	三极管；要求电路精度更高，可以换成mos管
⑤	电阻+电容组成的滤波电路

恒流原理分析

恒流原理

示例电路的原理为：当采样电阻R4的电压变化（瞬时负载电流变化）时，直接反馈到运放的反相输入端，它与同相输入端电压的差值被运放放大，输出控制三极管的基极电流，改变三极管的内阻，从而改变发射极与集电极间的电压降，从而使采样电阻的电压保持不变，以达到负载电流恒定的目的。

恒流调节过程

电流计算

对于上述示例原理图，有如下计算推导过程：

1. 根据运放的虚断路，有：
    Vin+ = V_R2;
    V_R2 = Vin * R2/(R2 + R1);
    
2. 根据运放的虚短路, 有：
    Vin+ = Vin-;
    Vin- = I_R4 * R4;
    
3. 综合上述, 负载电流I_R4 = Vin * R2/[(R2 + R1) * R4]；


特别说明：
根据基尔霍夫定律，流经R4的电流 = 负载电流 + 三极管基极电流；但因为基极
电流比较小，此处并未计算进去；

04 文章总结

在运放的世界中，虚短路和虚断路的分析方法尤其重要。只要熟练掌握虚短和虚断分析方法，运放、三极管组成的恒流源VI电路的设计和分析就会变得简单很多。