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基于電流輸出電路技術(shù)的多款實(shí)用電路案例

發(fā)布時(shí)間:2014-06-25 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】電流輸出可在多方面提供優(yōu)勢,包括高噪聲環(huán)境下的模擬電流環(huán)路信號(hào)(0mA至20mA和4mA至20mA),以及在不借助光學(xué)或磁性隔離技術(shù)的情況下針對(duì)較大電位差進(jìn)行模擬信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。本文總結(jié)了一部分現(xiàn)有技術(shù),并提供多款實(shí)用電路。
 
雖然諸如Howland電流源等電流鏡和電路在教學(xué)時(shí)屬于模擬電路部分,仍然有相當(dāng)一部分的工程師在定義精密模擬電路輸出時(shí)傾向于從電壓的角度來考慮問題。這很可惜,因?yàn)殡娏鬏敵隹稍诙喾矫嫣峁﹥?yōu)勢,包括高噪聲環(huán)境下的模擬電流環(huán)路信號(hào)(0 mA至20 mA和4 mA至20 mA),以及在不借助光學(xué)或磁性隔離技術(shù)的情況下針對(duì)較大電位差進(jìn)行模擬信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。 本文總結(jié)了一部分現(xiàn)有技術(shù),并提供多款實(shí)用電路。
 
得到穩(wěn)定的電流輸出是極其簡單的事情, 最簡單的方法就是使用電流鏡: 兩個(gè)完全相同的晶體管--采用同一塊芯片制造,從而工藝、尺寸和溫度都完全一致--如圖1所示相連。兩個(gè)器件的基極-射極電壓相同,因此流入集電極T2的輸出電流等于流入集電極T1的輸入電流。
 基本電流鏡
圖1. 基本電流鏡
 
此分析假設(shè)T1和T2相同且等溫,并且它們的電流增益極高,以至于可忽略基極電流。 它還會(huì)忽略早期電壓,使集電極電流隨集電極電壓變化而改變。
 
可采用NPN或PNP晶體管組成這些電流鏡。 將n個(gè)晶體管并聯(lián)組成T2,則輸出電流為輸入電流的n倍,如圖2a所示。 若T1由m個(gè)晶體管組成,T2由n個(gè)晶體管組成,則輸出電流將是輸入電流的n/m倍,如圖2b所示。
(a) 多級(jí)電流鏡 (b) 非整數(shù)比例電流鏡可將3個(gè)T2集電極結(jié)合起來,得到3IIN
圖2. (a) 多級(jí)電流鏡 (b) 非整數(shù)比例電流鏡可將3個(gè)T2集電極結(jié)合起來,得到3IIN
 
若早期電壓影響很大,則可使用略為復(fù)雜的威爾遜電流鏡降至最低。 3晶體管和4晶體管版本如圖3所示。4晶體管版本更為精確,且具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍。
威爾遜電流鏡T4為可選器件,但使用它可改善精度和動(dòng)態(tài)范圍
圖3. 威爾遜電流鏡T4為可選器件,但使用它可改善精度和動(dòng)態(tài)范圍
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需要跨導(dǎo)放大器(voltage_in/current_out)時(shí),可使用一個(gè)單電源運(yùn)算放大器、一個(gè)BJT或FET(MOSFET通常是最佳選擇,因?yàn)樗淮嬖诨鶚O電流誤差)以及一個(gè)定義跨導(dǎo)值的精密電阻來組成,如圖4所示。
 跨導(dǎo)放大器 VIN- IOUT
圖4. 跨導(dǎo)放大器 VIN- IOUT
 
該電路簡單、價(jià)格不高。 MOSFET柵極上的電壓可設(shè)置MOSFET中的電流和R1,使R1上的電壓V1等于輸入電壓VIN.
 
若單芯片IC中需要用到電流鏡,則最好使用簡單的晶體管電流鏡。 然而,若采用分立式電路,其匹配電阻高昂的價(jià)格(價(jià)格高是因?yàn)樾枨罅坑邢?,而非制造困難)將使圖5中的運(yùn)算放大器電流鏡成為最便宜的技術(shù)。 該電流鏡由跨導(dǎo)放大器和一個(gè)額外的電阻組成。
運(yùn)算放大器電流鏡
圖5. 運(yùn)算放大器電流鏡
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