今天我們來討論一款經(jīng)典的恒流源電路,兩種結(jié)構(gòu)相同的電路如下圖所示,其中RL表示負載。
恒流源電路的特點是: 當(dāng)負載阻值發(fā)生變化時,流過其中的電流總是不變的,基本原理是通過實時監(jiān)控輸出電流并實時調(diào)整 。在第一種使用三極管的恒流源電路中,三極管的發(fā)射結(jié)就相當(dāng)于一個二極管,所以運放OP1形成了深度負反饋路徑,如下圖所示:
在深度負反饋狀態(tài)下,OP1反相端電位是跟隨同相端的,所以RS兩端的電壓就等于輸入的參考電壓V REF ,流過其中的電流I S =V REF /R S 。又由于VT1的發(fā)射極電流與集電極電流近似相等,所以流過負載RL的電流I RL (即輸出電流)僅近似與V REF 、RS有關(guān),如下圖所示:
當(dāng)然,由于三極管的基極電流不為零,所以IRL與IS之間會有一定的誤差,如果要求較高,可以使用使用場效應(yīng)管替代三極管,工作原理是相同的……等等,好像有點不對呀,場效應(yīng)管的柵極與源極之間是絕緣的,就相當(dāng)于一個電容器,如下圖所示。也就是說,運放輸出與反相端是斷開的,電路應(yīng)該處于開環(huán)狀態(tài),怎么能夠工作呢?老師,你這個電路是有問題的!
蝦米?我來分析一下,還是按照以前在《運放應(yīng)用之半波精密整流電路》視頻教程中講解的老套路,先將OP1當(dāng)作一個比較器。在初始狀態(tài)下,VT1是不導(dǎo)通的,OP1反相端通過RS下拉到公共地。在VREF與OP1同相端連接的一瞬間,由于同相端電位大于反相端,OP1的輸出電壓就有往正電壓蹦的沖動,如下圖所示:
當(dāng)柵-源電壓VGS大于柵極閾值電壓(也稱為 開啟電壓 )時,VT1開始導(dǎo)通。如果任由VGS繼續(xù)上升,VT1最終會進入 可變電阻區(qū) (Ohmic Region),此時流過RS與RL中的電流是最大的,其值即為漏極電流I DS ,相應(yīng)的溝道狀態(tài)如下圖所示:
從轉(zhuǎn)移特性曲線上來看,在VGS不斷上升的過程中,場效應(yīng)管會從夾斷區(qū)進入 恒流區(qū) ,最終進入 可變電阻區(qū) ,相應(yīng)的工作點移動示意如下圖所示(僅供參考):
在恒流源電路結(jié)構(gòu)中,當(dāng)場效應(yīng)管進入恒流區(qū)后,不斷攀升的VGS會引起IDS的上升,繼而引起RS兩端的壓降(OP1反相端電位)上升,也就會反過來導(dǎo)致VGS減小,從而使IDS減小。
當(dāng)OP1反相端電位上升到VREF時,會達到一個平衡狀態(tài),此時負載電流IRL就像你剛才說的V REF /R S ,而VT1則也會穩(wěn)定工作在 恒流區(qū) (也稱為放大區(qū)或飽和區(qū)),相應(yīng)的溝道狀態(tài)如下圖所示。
在恒流區(qū)中,場效應(yīng)管的IDS僅受控于V GS 。電阻RS也稱為電流采樣(Current Sense)電阻,通常阻值比較小,它采集負載電流并反饋到OP 1 ,當(dāng)負載電流上升時會降低V GS ,反過來,當(dāng)負載電流下降時則提升V GS ,最終使負載電流保持不變。換句話說,OP1其實也處于閉環(huán)負反饋狀態(tài)。同樣的分析方式也適用于第一種使用三極管的恒流源電路。
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