基准电压 + 运放 + 低边MOS恒流源控制原理

一、电路结构
运算放大器的同相输入端+ 为基准电压Vref
运算放大器的反相输入端- 为采样电阻Rsense的采样电压Vsense
运算放大器的输出端连接MOS管的栅极
MOS管S级接采样电阻然后接地，MOS管D级接输入负载接输入电压
以上描述的就是典型的低边MOS恒流控制电路，做过LED恒流控制的同学应该都很熟悉。
简单的示意图如下：

关键点：Vref 是固定电压（如 2.5V），由基准源（如 TL431）提供，Vin仅是供电电压，不参与电流控制。
MOS管工作在饱和区（恒流区），确保 Iout仅由 Vgs控制。
设计恒流源满足以下两条规则：
1.输出电流 Iout由基准电压 Vref和采样电阻 Rsense决定，与输入电源电压 Vin无关。
2.即使负载 Rload 变化，Iout也能保持恒定（真正的恒流特性）。
二、负反馈调节机制
（1）稳态分析（平衡状态）
运放通过虚短（V+=V−​）强制反相端电压等于同相端电压:

因此，输出电流：

结论：Iout仅由 Vref和 Rsense决定，与 Vin、Rload无关。
（2）动态调节过程
情景 1：负载 Rload增大（Vin固定）
负载 Rload增大（Vin固定）
初始扰动：Rload​ ↑ → 负载压降 Iout*Rload ↑ → MOS管VDS​ ↓。
恒流维持：
若 VDS仍 > VGS−Vth（饱和区条件），MOS管保持恒流特性。
若 Iout试图减小 → Vsense=Iout⋅Rsense↓ → 运放反相端电压 < 同相端电压 Vref​。
运放输出 OUT ↑ → VGS ↑ → Iout↑，直到 Vsense=Vref 恢复。
结果：Iout恢复不变，但是由于Rload增大了,VDS=Vin−Iout(Rload+Rsense) 所以最终的结果是仅 VDS调整变大了以适应 Rload变化。
情景 2：输入电压 Vin​ 增大（Rload固定）
初始扰动：Vin​ ↑ → MOS 管 VDS ↑（因 Iout固定，Rload 压降不变）。
恒流维持：
由于 Vref和 Rsense未变，Iout无需调整，运放无需动作，OUT保持不变，Iout恒定。
结果：Iout 不受 Vin影响，仅 VDS 增大。
为什么VDS会增加？，因为恒流源强制 Iout不变，而 Vin​ 增加时，负载压降 Iout⋅Rload不变，多余的电压只能由MOS管的 VDS承担，因此 VDS必然增加。
二、常见问题
Q1：为什么 Vin变化不影响 Iout？
因为 Iout由 Vref 和 Rsense 决定，与 Vin 无关。（如果被影响了，那还叫恒流吗吗？）
运放通过负反馈强制 Vsense=Vref ​，只要 Vin 满足 VDS>VGS−Vth（饱和区条件），Iout就恒定。
Q2：MOS 管饱和区的作用是什么？
在饱和区，MOS 管的 ID 仅由 VGS决定，与 VDS 无关，这样，负载变化时，VDS可自由调整以维持 Iout恒定。
Q3：如果 Vin 过低会怎样？
当 Vin​ 小到无法满足 VDS>VGS−Vth时，MOS管进入线性区，Iout 会随 Vin​ 下降而减小，恒流失效。
设计时需保证：
Vin>Iout⋅(Rsense+Rload)+VDS(sat)其中 VDS(sat)≈VGS−Vth（饱和区最小压降）。
Q4：如果 Vin过大会怎么样？
超过MOS管DS耐压值发生击穿，或MOS功耗过大烧毁
Q5：在以上的应用中，MOS管是处于饱和区也就是恒流区，那么MOS管的ID到底是由谁控制的？是VGS还是VSENS和Rsense,这个两个电流值矛盾吗？
ID由运放通过负反馈强制控制，最终表现为 Vsense=Vref，但本质是运放动态调整 VGS来满足这一条件。
表面看是 Vsense决定 ID，底层是VGS执行控制。运放作为“智能调节器”，通过动态调整 VGS，使得 MOS管的饱和区电流公式 恰好等于 反馈目标值 Vref/Rsense。