關(guān)于鏡像電流源原理及其應(yīng)用電路研究

孫清文 閔靜 吳經(jīng)緯 程俊

摘要：電流源屬于基本電路單元之一，不過由于人們對其的簡介和研究的內(nèi)容很少，所以給應(yīng)用帶來了很多問題和困難。為解決上述問題和困難，于是本文就對鏡像電流源的原理以及應(yīng)用電路展開了深入的研究，按照鏡像電流源原理及運(yùn)算放大器的虛斷和虛短屬性模擬出了很多應(yīng)用電路，并得到了很好的成效，給應(yīng)用帶來了良好的參照價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鏡像電流源;應(yīng)用電路

雖然電流源的運(yùn)用非常廣泛，屬于一項(xiàng)基本電路單元，但是其研究的內(nèi)容很少，就給運(yùn)用產(chǎn)生了很多困難，所以本文主要以鏡像電流源為主，研究了其原理，并借助運(yùn)算放大器虛斷和虛短的特性，研究出了許多由運(yùn)算放大器形成的電流源應(yīng)用電路，經(jīng)過驗(yàn)證可知這些應(yīng)用電路均有著良好的作用，其中最大的優(yōu)點(diǎn)就是該電流源的電路負(fù)載P端不僅能夠接地，而且還能浮地，解決了傳統(tǒng)電流源的電路負(fù)載僅可接地或者僅可浮地的情況，優(yōu)化后的電路應(yīng)用效果非常好，極其靈活，不僅能夠用于直流電流源當(dāng)中，而且還能用于交流電流源當(dāng)中，同時(shí)既能用為小功率信號電流源使用，又能用為大功率電流源使用，應(yīng)用極為方便。

一、鏡像電流源原理

鏡像電流源原理詳見圖1。其中，晶體管T1和T2的參數(shù)都一樣，所以β1=β2，ICEO1=ICEO2。因?yàn)榫w管的基-射極間電壓也都一樣，所以IE1=I E2，IC1=IC2。如果β很大時(shí)，基極電流IB就能不計(jì)，因此T2的集電極電流IC2就約為基準(zhǔn)電流IREF，可得到如下的公式：

IC2≈IREF=（VCC-VBE）/R≈VCC/R

通過公式可知，如果R確定以后，IREF就可確定，這樣IC2就能通過IREF得出，為此IC2就為IREF的鏡像，便叫做鏡像電流源。

二、放大器形成的鏡像電流源原理

在此將鏡像電流源原理及運(yùn)算放大器結(jié)合，借助運(yùn)算放大器的虛斷與虛短特點(diǎn)，研究出了很多種放大器形成的鏡像電流源，其中可分為兩種類型，一種是電壓控制鏡像電流源，另一種是電流控制鏡像電流源。

（一）電壓控制鏡像電流源

通過運(yùn)算放大器的屬性能夠清楚了解運(yùn)算放大器的同相端和反相端的電壓一樣，電流都是0，所以放大器的反相端和輸出端間的電壓Ui與同相端和輸出端間的電壓Um一樣，電阻R0的電流僅流于負(fù)載，所以其和負(fù)載輸出電流一樣，就能得到如下的公式：

I0=Um/R0=Ui/R0

其中，Ui表示輸入電壓;Um表示鏡像電壓。通過上式就能發(fā)現(xiàn)，輸出電流和鏡像電壓具有正比例關(guān)系。當(dāng)R0固定，輸入電壓Ui確定時(shí)，鏡像電壓Um就能得出，從而就能得到輸出電流I0。

（二）電流控制鏡像電流源

通過運(yùn)算放大器的屬性能夠清楚知道R0的電壓與Ri的電壓一樣，電阻R0的電流與負(fù)載的輸出電流I0一樣，再通過鏡像電壓公式Um=IiRi，就能得出輸出電流的公式，即

I0=Um/R0=（Ri/R0）·Ii

其中，Ii表示輸入電流。

通過上述公式可知，輸出電流和輸入電流呈正比例關(guān)系，當(dāng)電阻R0和Ri可知時(shí)，就能算出輸入電流，進(jìn)而就能得到輸出電流I0。通過研究能夠發(fā)現(xiàn)，不管是電壓控制鏡像電流源，還是電流控制鏡像電流源，輸出電流都會(huì)和輸入電壓及輸入電流具有線性聯(lián)系，和負(fù)載阻抗、負(fù)載接地及浮地沒有關(guān)系。

三、誤差研究

一般電流源的放大器會(huì)在共模輸入情況中運(yùn)行，由于放大器的開環(huán)放大倍數(shù)不是無窮大的，所以電流源的輸出阻抗就不是無窮大，這樣輸出電流肯定具有誤差。例如電壓控制鏡像電流源，能夠得到如下公式：u+=ZLI0;U0=u-+（u++u-）/2CMRR+Ui;U0=A（u++u-）

其中，A表示運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù);CMRR表示共模抑制比;（u++u-）/2CMRR表示折合到放大器時(shí)，輸入端共模誤差電壓。經(jīng)過簡化可得出：

I0=Ui/R0（1+α）

因此，想要增大恒流源的精確性，就應(yīng)當(dāng)運(yùn)用α小的電阻。

四、應(yīng)用電路

（一）電壓互感器輸入V-I變換電路

輸入電壓用Ui表示，電壓互感器變比用η表示，借助原理能夠清楚：互感器二次側(cè)電壓Ui/η和鏡像電壓Um一樣，所以Um=Ui/η。在應(yīng)用過程中，需要特別注意電壓互感器的原邊同名端和副邊同名端方向，保證輸出電流的方向準(zhǔn)確。

（二）電流互感器輸入I-I變換電路

輸入電流用Z表示，電流互感器變比用η表示，借助原理就能夠清楚：互感器二次側(cè)取樣電阻Ri的電壓Ii*Ri/η和鏡像電壓Um相等，因此Um=IiRi/η，就能得到輸出電流I0=Um/R=IiRi/ηR0。在應(yīng)用過程中需要特別注意電流互感器的原邊同名端和副邊同名端方向，保證輸出電流的方向準(zhǔn)確。

（三）雙電源供電電流源

如果電流源的負(fù)載阻抗很高或者輸出電流大于運(yùn)算放大器的負(fù)載承受情況時(shí)，則電流源就應(yīng)當(dāng)增大供電的電壓或者提升輸出功率，此時(shí)就可借助雙電源供電電流源實(shí)現(xiàn)，不僅運(yùn)行非常穩(wěn)定，而且應(yīng)用電路比較簡便，僅借助放大器形成的鏡像電流源原理就能將功率管的發(fā)射極接于放大器電源地處，如此加于電阻兩端的鏡像電壓就與輸入電壓一樣，因此該電流源的輸出范圍就可通過功率管供電大小和最大電流輸出性能確定。應(yīng)用電路只添加了一個(gè)功率管，就可輸出直流電流，非常的方便。如果在運(yùn)算放大器的后面添加一個(gè)甲乙類的互補(bǔ)對稱電路，就能顯著增大電路的輸出效果，而且輸出功率不會(huì)被放大器的輸出性能影響，只與電源大小以及功率管電流輸出情況有關(guān)。

（四）一組電源供電電流源電路

因?yàn)殓R像電壓是變化的，所以應(yīng)用輸入隔離以及雙電源供電形式能夠很好的達(dá)到此效果，同時(shí)經(jīng)過電路改造，可實(shí)現(xiàn)一組電源供電電流源電路。不過由于此電路會(huì)被高頻振蕩所影響，所以就需要于輸出負(fù)載附近應(yīng)用濾波電容，從而顯著去除高頻振蕩情況。因?yàn)榇绥R像電流源電路帶有電容，所以此電路僅能夠用于直流電流源當(dāng)中。

五、需要特別注意的事項(xiàng)

因?yàn)榇诉\(yùn)算放大器是運(yùn)行于有共模電壓的情況中，所以需要使用共模抑制比較大，并且開環(huán)放大倍數(shù)較高的運(yùn)算放大器。對于差動(dòng)運(yùn)算放大器來說，其應(yīng)當(dāng)與電阻良好匹配，不然就會(huì)破壞線性度。對于取樣電阻風(fēng)來說，其應(yīng)該使用溫度系數(shù)較低的精密電阻，這樣能夠顯著增強(qiáng)電流源的準(zhǔn)確性及安全性。

六、總結(jié)

通過上述內(nèi)容可知，人們對電流源的研究及簡介非常少，而電流源的應(yīng)用非常廣泛，這便給使用帶來了很大的問題，為避免問題變得嚴(yán)重，本文便對鏡像電流源的原理以及應(yīng)用電路進(jìn)行了探究，通過對鏡像電流源原理的深入探索，對運(yùn)算放大器虛斷和虛短屬性的了解，得到了良好的應(yīng)用電路，給電流源應(yīng)用提供了很大的幫助。另外，由于運(yùn)算放大器形成的鏡像電流源的應(yīng)用電路極為簡便，具有良好的線性度，所以能夠滿足很多應(yīng)用情況以及環(huán)境，非常值得推廣和運(yùn)用，所以應(yīng)加大研究和介紹的力度。

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