详细讲解一下硬件工程师需要掌握的四种常用的恒流源电路工作原理

01.前言

恒流源是一种保持特定输出电流不变的电源，它不像电压源那样保持恒定的电压输出。其基本电路主要由输入级和输出级组成。输入级提供参考电流，输出级输出所需的恒定电流。恒流源与恒压源相比，其输出电流稳定性更高，常见的恒流源有压控电流源、反馈电流源、场效应晶体管恒流源等。

恒流源具有以下特点：

1) 输出电流受负载（输出电压）的影响小。

2) 输出电流受环境温度影响小。

3）内阻无穷大（这样电流就能全部流到外面）。

4）能够提供恒流驱动。

5）输出精度高。

接下来就介绍四种常用的恒流源电路设计方案：

02.稳压恒流电路

下图是利用齐纳二极管的稳压特性设计的电路：

电路原理：三极管Q1的基极电压受限于稳压二极管的稳定电压Uzd，因此电阻R3的电压等于Uzd减去Q1基极与发射极之间的导通压降0.7V，即，U=Uzd-0.7 保持不变。所以即使VCC电源变化，流过R3的电流也是固定的，即流过R1负载的电流保持不变，达到恒流效果。

这里需要注意的是，根据需要的电流，选择合适的采样电阻，并考虑三极管和稳压二极管的参数。而集电极电压Ucmax是允许施加到集电极结的最大反向电压。使用时不要超过这个最大值，否则集电极结在过大的反向电压作用下会形成强电场，导致集电极反向电流急剧增大，可能造成元件损坏。

下图是利用二极管导通电压为0.6~0.7V的特性设计的二极管恒流电路：

当单片机的GPIO口给高电平时，三极管Q1导通，二极管D1、D2导通（D1、D2的导通压降为0.6~0.7V），因此电阻R3的电压等于1.4V（D1和D2的压降之和）减去晶体管基极和发射极之间的导通压降0.7V，即U=0.7V保持恒定，因此流过晶体管的电流即使VCC电源变化，R3也是固定的，即流过R1的电流保持不变，达到恒流的效果。

03.晶体管恒流电路

下图是利用Q2基极导通电压为0.6~0.7V的特点设计的晶体管恒流源电路：

当GPIO口给高电平时，三极管Q1为NPN管，会导通，同时Q2也会导通。当Q2导通时，Q1的基极电压被拉低并截止。负载R1不工作，Q2无电流流过。Q2基极电压被下拉至地并截止，而Q1基极被释放并再次导通。如此循环往复，电路中的电流最终稳定在0.7/R3（忽略Q1和Q2的基极电流），无论电源电压VCC如何变化，电流都保持恒定。另外，R3的阻值应根据所需电流来选择。

04.使用运放的恒流电路

下图是采用运放的恒流源电路，电流可调。该电路采用运算放大器设计，引入了反馈。与晶体管恒流源相比，具有足够的精度和可调性。

注意运算放大器的“虚短”特性。同时，电路的反相输入端连接电阻R4接地。当VIN输入到R2以稳定电源电压时，R4两端的电压也为VIN。因此，无论外部电路如何变化，流过R4的电流保持不变。而负载R1的电流与R4的电流相等，因此即使R1的电源是变压电源，其电流也保持固定，达到恒流的效果。

这里晶体管Q1是NPN型的。使用时根据实际电压、电流要求选择合适的。如果功率较大，必须考虑散热要求。另外，它的发射极电流约等于集电极电流，但实际上发射极电流还包括基极电流。可见，当运放输出级采用晶体管时，输出电流会产生基极电流分量的误差。如果此时不能满足电路精度要求，则使用MOSFET更好。

分析与上面相同。MOSFET管是压控器件，栅极所需电流很小。由于Iout和Is非常接近，与晶体管相比，电流精度得到提高。另外，使用运放的恒流源电路虽然有明显的优点，但也有缺点。例如运放的VIN电源需要用户额外提供。

05.LDO电路

下图是利用LDO输入电流等于输出电流的特性设计的恒流源电路。

通过LDO输入电流等于输出电流的特性，流过负载R1的电流等于流过电阻R2的电流，电流大小为Iout=V/R2，其中V(3.3V ）是LDO的稳压值。此外，可变电源必须满足LDO的输入电压范围。

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