运算放大器（二）：恒流源

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#单片机 #嵌入式硬件 #运算放大器 #恒流源 #运放恒流源

于 2023-07-27 16:52:19 首次发布

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恒流源通过运放和MOS管等组件实现电流稳定性，不随负载变化。常见电路包括由运放、MOS管、负载和限流电阻组成的结构，以及一种电压-电流转换电路。电路设计中，参考电压、限流电阻和负载电阻决定了恒流源的输出电流和带载能力。

一、实现原理

恒流源的输出电流能够在一定范围内保持稳定，不会随负载的变化而变化。
通过运放，将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的简易恒流源。

二、电路结构

常用的恒流源电路如下图1 所示，由运放、MOS（三极管）、负载（ $R_{L}$ ）、限流电阻（ $R_{S}$ ）等组成；
其输出电流为 $I_{out}=\frac{V_{ref}}{R_{s}}$
图1
假设参考电压为 3.3V，限流电阻 $R_{S}$ = 1KΩ，即恒流源电流为 3.3mA，若负载电压为 5V，意味着电路最大带载能力 $R_{L}$ = 1.52KΩ，超过该值，输出电流将不再稳定
另一种负载接地的电压-电流转换电路如图2 所示，即模电课本教学的电路
图2
U1构成同相求和电路，U2构成电压跟随器，根据虚短和虚断，可得：

$U_{O2}=U_{P2}$

$U_{P1}=\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}\cdot U_{I}+\frac{R_{3}}{R_{3}+R_{4}}\cdot U_{{P2}}=0.5U_{I}+0.5U_{P2}$

$U_{O1}=\left ( 1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right )\cdot U_{P1}=2U_{P1}$

整理可得 $U_{O1}=U_{P2}+U_{I}$ ， $R_{O}$ 上的电压 $U_{R_{O}}=U_{O1}-U_{P2}=U_{I}$

$\therefore i_{O}=\frac{U_{I}}{R_{O}}$
图2 中电路用MOS（三极管）改进后，可提高输出电流能力，如图3 所示
图3
$\frac{U_{S}-U_{N1}}{R_{2}}=\frac{U_{N1}}{R_{1}}$

$\therefore ^{U_{S}}=2U_{N1}=2U_{P1}$

$i_{S}=\frac{U_{S}-U_{P2}}{R_{S}}=\frac{2U_{P1}-U_{P2}}{R_{S}}=\frac{U_{I}+U_{P2}-U_{P2}}{R_{S}}=\frac{U_{I}}{R_{S}}$

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