解析基于電流輸出電路技術的多款實用電路案例

　　雖然諸如Howland電流源等電流鏡和電路在教學時屬于模擬電路部分，仍然有相當一部分的工程師在定義精密模擬電路輸出時傾向于從電壓的角度來考慮問題。這很可惜，因為電流輸出可在多方面提供優勢，包括高噪聲環境下的模擬電流環路信號(0 mA至20 mA和4 mA至20 mA)，以及在不借助光學或磁性隔離技術的情況下針對較大電位差進行模擬信號電平轉換。 本文總結了一部分現有技術，并提供多款實用電路。

　　得到穩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。

　　圖1. 基本電流鏡

　　此分析假設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個晶體管并聯組成T2,則輸出電流為輸入電流的n倍，如圖2a所示。 若T1由m個晶體管組成，T2由n個晶體管組成，則輸出電流將是輸入電流的n/m倍，如圖2b所示。

　　圖2. (a) 多級電流鏡 (b) 非整數比例電流鏡可將3個T2集電極結合起來，得到3IIN

　　若早期電壓影響很大，則可使用略為復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，且具有更寬的動態范圍。

　　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態范圍

　　需要跨導放大器(voltage_in/current_out)時，可使用一個單電源運算放大器、一個BJT或FET(MOSFET通常是最佳選擇，因為它不存在基極電流誤差)以及一個定義跨導值的精密電阻來組成，如圖4所示。

　　圖4. 跨導放大器 VIN- IOUT

　　該電路簡單、價格不高。 MOSFET柵極上的電壓可設置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格(價格高是因為需求量有限，而非制造困難)將使圖5中的運算放大器電流鏡成為最便宜的技術。 該電流鏡由跨導放大器和一個額外的電阻組成。

　　圖5. 運算放大器電流鏡

　　電流鏡具有相對較高、有時非線性的輸入阻抗，因此它們必須由高阻抗電流源(有時亦稱為 剛性電流源)提供電流。 若輸入電流必須具有低阻抗吸電流能力，則需使用運算放大器。 圖6所示為兩個低ZIN電流鏡。

　　圖6. (a) 低ZIN電流鏡反相 (b) 低ZIN電流鏡同相

　　采用基本電流鏡和電流源，則輸入和輸出電流極性相同。 通常，輸出晶體管的射極/源極直接或通過檢測電阻接地，且輸出電流從集電極/漏極流入負載，其他端子連接直流電源。 這樣做并非總是很方便，尤其當負載的一個端子需接地時。 如圖7所示，若電路采用其直流電源的射極/源極來構建，則不存在此問題。

　　圖7. 接地負載電流鏡