干货 | 电路分析:运放和三极管组成的恒流源电路

本文将从以下五个方面对该电路进行阐述：



图1 讲解框图
一、运放和三极管的基本公式

1.1关于运放：



图2 运放

运放的计算过程中基本都会用到虚短和虚断，即：

“虚短”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为相同电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。即：



“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效断开，这一特性称为虚假开路，简称虚断。即：



1.2关于三极管



图3 三极管电流走向

公式如下：





二、电路简介

这是由运放U1A和三极管Q1及相关阻容元件组成的恒流源电路。



图4 恒流源电路

电阻R2起到对运放的保护作用，这个值不能太大，一般取值10R左右。（一点小经验吧，我们设计的产品中一般都有加）；

电阻R3为三极管提供一个基极电流；

电阻R4位采样电阻，RL为负载电阻；

电阻R5起缓冲限流的作用，一般选取1K~100K之间（也有些电路没加这个电阻）；

三极管Q1为NPN类型，需根据实际应用场合选择电压、电流的合适的三极管。
三、原理分析

它是如何做到恒流的呢？

此电路看似简单，实际原理是当采样电阻R4的电压变化时，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。



图5  电路稳定的过程

两张电路变化过程图简单说明：



图6  负载电流增大引起的变化



图7  负载电流减小引起的变化

因此，负载电流经过采样电阻的实时反馈下最终达成恒定的稳定电流。

实际计算：

假如我们要实现输出1mA的恒定电流，

设Vin=5V，R4=5.1K。

根据虚断，Vin=Vin+;



根据虚短，



又



可算出三极管基极电压为



即，运放输出电压为5.7V。

输出电流



这样负载就可以实现1mA的恒流了。
四、电路仿真

仿真



图8  电路仿真

电流980uA，跟计算值1mA接近。

电路的缺点：

虽然，三极管发射极电流与集电极电流近似相等，但实际上，发射极的电流还包含了基极电流。



可以看出，运放输出级使用三极管时，输出电流会产生基极电流分量这一误差。如果此时还不满足电路精度要求，可将三极管改成MOS管。

MOS管属于压控器件，栅极需要的电流很小。IRL和IR4可以非常的接近，相比三极管而言，电流的精度提升了。



图9  运放+MOS管电路
五、电路对比

相比下面的恒流电路，这两个电路哪个更好？



图10  两个三极管组成的恒流源

其实也不能说哪个好，哪个不好。它们各有利弊，主要还是看使用场合。

集成运算放大器具有输入阻抗高和输出阻抗低等特点，用运放设计的恒流源电路引入了反馈，相比三极管式的恒流源，运放式的恒流源有足够的精度和可调性。

当然运放式的恒流源虽然优点明显，但也有缺点，运放的Vin电源需要额外提供且运放的价格比三极管更贵。

因此，对精度要求比较高的场合用运放+三极管（或MOS管）。对精度要求不高，但对成本要求高的场合选用三极管+三极管的组合方式。