四种常见恒电流源电路的比较分析

阿布拉江·斯地克，米娜瓦尔·吾买尔

（喀什大学物理与电气工程学院，新疆 喀什 844000）

0 引言

恒流源，顾名思义就是不论接什么负载都能输出期望的恒定的电流.恒流源是一种能够向负载提供稳定电流的电源，是一种宽频谱、高精度的直流稳流信号源，其具有响应速度快、恒流精度高、稳定持久、适应各种负载等优点.恒流源在电子电路、现代医学、通信技术、国防工业、光电领域、实验教学、工业自动化、仪器仪表、机器人、通讯、照明等领域都被广泛使用[1]；在半导体测试、传感器技术、电子测量、激光、超导、航天[2]、计量测试领域、飞行器运动参数的激励[3]等科学研究领域也得到普遍应用.另外，高稳定度的恒流源是电子显微镜、粒子加速器、质谱仪以及β 谱仪等现代仪器中产生稳定磁场的核心电源系统之一，应用领域也十分广阔[4].同时，恒流源在工业检测领域的应用也越来广泛，如在金属薄膜电阻率的测量、金属丝杨氏模量测量、电气触点的微电阻测量以及光电池特性的测量[5]等方面的应用；毫安级数控恒流源有着高分辨率、高准确度和稳定性、精确控制等优点，其电路更是在精密智能仪器和传感检测技术中有着广泛的应用[6].如今，恒流源大量用于激光器的驱动电源[7]、生物电阻抗谱测量中.恒流源还常作为以上众多领域的驱动电源，其稳定性和精度对系统稳定具有非常重要的意义[8].恒流源信号的精确度和稳定性直接影响到产品的质量和试验的结果，在日常社会生产和生活中也发挥着十分重要的作用[9].除了以上“弱电”领域里的恒流源外，恒流源在“强电”领域也开始得到广泛应用，如三相恒流源、高功率恒流源等.

本文对几种常见稳恒恒流源电路加以分类和分析.恒流源的种类繁多，如按照恒流器件的不同可分为晶体管恒流源、场效应管恒流源和集成电路恒流源三类，但他们之间类型划分并非严格.在电子技术领域内，一般把恒流源分为以下四种：单管恒流源、运算放大器里的恒流源、电流反馈性（尤其是深度负反馈条件下）恒流源和电压—电流转换型恒流源（负反馈和正反馈同时存在，如豪兰德电路）.下面就对上述四种恒流源的可行性、准确度和负载的允许范围进行分析.

1 单管恒流源

一只晶体三极管或场效应管本身是一个不错的恒流源，从它们的输出特性曲线可以看出UCE或UDS在线性区的变化范围内变化时，集电极电流或漏极电流不会有明显的变化，也就是具有恒流特性.在要求不太高的情况下晶体三极管可以做恒流源用.尤其是结型场效应管和耗尽型MOS 管是简单又实用的一个恒流源，不需要用其它电阻或元件.栅极直接与源极相连（UGS=0）便可得到简单的电流源[10].图1 是由N 沟道结型场效应管组成的恒流源电路.该电路没有输入信号，场效应管的各项参数、电源电压决定其输出电流，其主要用在需要固定电流的场合，如偏置电路；也可在整个电路中替代放大电路某一个电阻等，如直流负载电阻等.

图1 单管恒流源电路

图1 的场效应管的夹断电压UGS(off)=-1V,饱和漏极电流IDSS=1mA.为保证负载电阻上的电流为恒流，可以计算RL的取值范围.从电路图1 可知UGS=0，因而ID=IDSS=1mA，UGS=0 时的预夹断电压UDS=UGS-UGS(off)=[0 -(-1)]V=1V，而UDS=VDD-IDRL，所以保证负载电阻为恒流源的最大输出电压Uomax=12V -1V=11V，输出电压范围为0～11 V，所以负载电阻的取值范围为0～11 kΩ.该恒流源是直接调整型恒流源，通过调整电源电压就可以获得所需要的负载电流，实验结果如表1所示.

表1 负载电阻和负载电流的数值关系

由表1 可以看出，实验结果与计算结果基本上吻合.当负载电阻大于11 kΩ 后，负载电流值开始呈下降趋势，在此范围内该电路为恒流源.在恒流特性要求不太高的情况下，甚至在更大的负载电阻范围内，该恒流源可以使用在分立元件差分放大器、小规模集成电路等中.当然，输出电压在此范围内随负载电阻的变化而呈线性变化.为了保证电路的恒流特性，最重要的是场效应管的输出特性应该接近理想，即输出电流应平行于横轴，当然电压源输出电压也应该稳定.

2 运算放大器里的恒流源

图2是镜像电流源的标准电路，是运算放大器里的典型电流源.下面推导输出电流即负载电阻所通过的电流IRL.

图2 标准镜像电流源

图2 中两只晶体管参数完全相同，β1=β2，ICEO1=ICEO2.由于两晶体管具有相同的基—射极间电压(VBE1=VBE2)，故

表2 负载电阻和负载电流的数值关系

标准镜像电流源虽然简单，但恒流特性在一定范围内相当的好，小、中规模集成电路和其他分离元件电路都可以用它提供稳定电流.它也可以当作大阻值电阻，用在直流通路和放大器中提高放大倍数.为了提高恒流特性，应尽量挑选相互对称的三极管，且电阻R的准确度也很重要.这里实测值稍低于仿真值，因为实测时两只三极管不完全对称.除了镜像电流源外，运算放大器里的恒流源单元电路还有微电流源、高输出阻抗电流源（Wilson）、组合电流源和维德拉（Widlar）[12]电流源电路.他们的工作原理基本相同，各有各的特点和用途.如：镜像电流源电流大（毫安级），适合做偏值电阻；比例电流源和微电流源的电流小（微安级）；高输出阻抗电流源的输出非常稳定；组合电流源可以提供多路稳定电流.

3 电流反馈性恒流源

一个比较典型的电流反馈性恒流源的电路如图3 所示.它是由运算放大器组成的负反馈放大电路.

图3 由运放组成的电流反馈性恒流源

该电路实际上是电流并联负反馈.从负反馈效果最佳角度要求，这种电路适用于高内阻的电流信号源，故Rs的影响可以忽略的[10].运放是理想的，可以满足深度负反馈的条件，即运放同相和反相输入电阻都无穷大，所以反向输入电流为零；又因为运放放大倍数无穷大，所以同相和反相电位相等，输入电压为零.由此得到：

上式说明R和Rf两电阻一定时，输出电流是输入电源电流的函数，输入电流不变，输出电流也不变；也就是输出负载电流实际上跟负载的大小无关，具有恒流特性.表3 是电源电压一定(100 mV，电源内阻为1 kΩ)时，负载电阻不同时通过实验确定的恒流范围.

表3 电流反馈性恒流源的负载电阻和输入输出电流的数值关系

通过分析以上实验数据可以得出以下结论：由运放组成的电流反馈性恒流源电路负载电阻不能超过10 kΩ，超过10 kΩ，输入和输出电流都开始下降，丧失横流特性.如果信号源能够输出足够大的电流，则引入电流并联负反馈可以增强放大电路的恒流特性.对由运放组成的电流反馈性恒流源电路来说，输入电压源的内阻应该无穷小，因为它直接影响输出电流的稳定性.其次，按照仿真值负载电阻可以增加到22 kΩ，但以实测值为准.

4 电压-电流转换型恒流源

4.1 一般电路

如图4 所示的的是一个基本反相比例运算电路，其就有恒流特性，即.只不过该电路负载没有接地，负载电流和电压容易受干扰的影响，放大电路的稳定性也不理想，所以实际应用中不能用该电路.我们可以用豪兰德（Howland）电路解决上述问题.

图4 一般电压-电流转换电路

4.2 Howland 电流源电路

Howland 电流源电路（Howland current source circuit，HCSC）作为一类通用的压控电流源（volt⁃age controlled current source，VCCS）电路，由于其结构简单、性能优良，被广泛用于生物信号的采集与测量[13].图5 所示为标准Howland 电流源电路，其电路结构的特点是在运放电路中同时存在由R2、R1 构成的负反馈回路以及由R3 和R 构成的正反馈回路.

图5 标准Howland 电流源电路

因为集成运放有“虚短”和“虚断”的特点，同相和反相输入电压相等，R1 和R2 电压也相等，则,因而反相端的电位为

同相输入端的基尔霍夫电流方程为

因而同相输入端的电位为

利用同相和反相电位相等关系并将等式整理[14]，可得消去公因子，到得电流的表达式.该式表示负载电流跟输入电压电阻R有关；或电阻R一定的情况下只有输入电压有关，而负载电阻无关，既有恒流特性，也具有电压-电流转换特性.表4为输入电压为100 mV时,Howland 电流源电路不同负载电阻负载电流实测结果.

表4 标准Howland 电流源电路的负载和输出电流的数值关系

由表4 可知，负载电阻在0～30 kΩ 的范围之内输出电流基本不变，恒流特性相当好.适当改变R1,R2,R3,R和输入电压，可以获得想要的稳定电流，只要保证这四个电阻满足R2∶R1=R3∶R的比值关系就行.因为该电路两种反馈达到平衡，输出电流的仿真和实测值基本一致.除了上述标准Howland电流源外，还有桥式Howland 电流源电路[13]和带缓冲反馈的Howland 电流源电路（实用的电压-电流转换电路）[14]，它们的恒流原理跟标准Howland 电路基本一样.桥式Howland 电流源电路的动态输出范围明显大于另外两种电流源电路，而带缓冲反馈的Howland 电流源电路的表达式为.与一般电压-电流转换电路相比，就是少了一个负号.

5 结论

本文对单管恒流源、运算放大器里的恒流源、电流反馈性恒流源和电压——电流转换型恒流源（Howland 电流源）电路的性能进行了对比分析.主要讨论的是负载变化对输出电流的影响，确定了每一种电路的负载变化允许范围，提出了提高输出电流的稳定性的一般方法，并对仿真数据与实测数据进行比较分析.影响恒流源输出电流稳定度的直接因素是运算放大器、三极管和场效应管的理想程度、稳定性、采样电阻的变化及放大器自身参数的变化；间接因素是电阻器阻值的准确度、彼此间的比例关系等.Howland 电流源对输出电流进行采样反馈，既消除了前面三种电路的输出电流精度低、稳定性差的问题，又将传统恒流源电路的优点进行了结合，并可线性调节输出电流.How⁃land 电流源有效减小输出纹波电流，提高了电流输出精度，并且电流输出稳定性也得到改善，电流输出范围也进一步拓宽[13].在电路设计中，没有最好的电路只有最合适的电路，截至目前以上四种类型的电路都仍然是很多应用设计最佳选择的电路.