恒流源电路的设计基本原则

恒流源电路

恒流源电路,恒流源由信号源和电压控制电流源(VCCS)两部分组成。正弦信号源采用直接数字频率合成(DDS)技术，即以一定频率连续从EPROM中读取正弦采样数据，经D/A转换并滤波后产生EIT所需的正弦信号。

本系统采用DDS集成芯片AD9830，其内部有两个12位相位寄存器和两个32位频率寄存器。在单片机的控制下对相应的寄存器置数就可以方便得到2MHz以下的任意频率和相位的输出，其中频率精度为1/ 2 32，相位分辨率为2π/2 12，输出幅度也可以在一定的范围内调节，因此能满足系统多频激励(10kHz～1MHz)的要求。

恒流源电路的基本原则

基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级提供参考电流，输出级输出需要的恒定电流。

恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。即要求恒流源电路输出恒定电流，因此作为输出级的器件应该是具有饱和输出电流的伏安特性。这可以采用工作于输出电流饱和状态的BJT或者MOSFET来实现。

为了保证输出晶体管的电流稳定，就必须要满足两个条件：

a)其输入电压要稳定——输入级需要是恒压源;

b)输出晶体管的输出电阻尽量大(最好是无穷大)——输出级需要是恒流源。

恒流源电路的输入、输出要求

(一)输入要

上左图是用增强型n-MOSFET构成的一种基本恒流源电路。为了保证输出晶体管T2的栅-源电压稳定，其前面就应当设置一个恒压源。实际上，T1 MOS管在此的作用也就是为了给T2提供一个稳定的栅-源电压，即起着一个恒压源的作用。

上右图是用BJT构成的一种基本恒流源电路。其中T2是输出恒定电流的晶体管，晶体管T1就是一个给T2提供稳定基极电压的发射结二极管。当然，T1的电流放大系数越大、跨导越高，则其恒压性能也就越好。同时，为了输出电流恒定(即提高输出交流电阻)，自然还需要尽量减小T2的基区宽度调变效应(即Early效应)。

(二)输出要求

如果采用BJT，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小Early效应(基区宽度调制效应)，即要尽量提高Early电压。

如果采用MOSFET，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小其沟道长度调制效应和衬偏效应。因此，这里一般是选用长沟道MOSFET ，而不用短沟道器件。

四种恒流源电路分析

在改进型差动放大器中，用恒流源取代射极电阻RE，既为差动放大电路设置了合适的静态工作电流，又大大增强了共模负反馈作用，使电路具有了更强的抑制共模信号的能力，且不需要很高的电源电压，所以，恒流源和差动放大电路简直是一对绝配!

恒流源既可以为放大电路提供合适的静态电流，也可以作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大电路的电压放大倍数。这种用法在集成运放电路中有非常广泛的应用。本节将介绍常见的恒流源电路以及作为有源负载的应用，为后续内容的学习进行知识储备。

(一)恒流源电路-镜像恒流源电路

如图1所示为镜像恒流源电路，它由两只特性完全相同的管子VT0和VT1构成，由于VT0管的c、b极连接，因此UCE0=UBE0，即VT0处于放大状态，集电极电流IC0=β0*IB0。另外，管子VT0和VT1的b-e分别连接，所以它们的基极电流IB0=IB1=IB。设电流放大系数β0=β1=β，则两管集电极电流IC0=IC1=IC=β*IB。可见，由于电路的这种特殊接法，使两管集电极IC1和IC0呈镜像关系，故称此电路为镜像恒流源(IR为基准电流，IC1为输出电流)。

镜像恒流源电路简单，应用广泛。但是在电源电压一定时，若要求IC1较大，则IR势必增大，电阻R的功耗就增大，这是集成电路中应当避免的;若要求IC1较小，则IR势必也小，电阻R的数值就很大，这在集成电路中很难做到，为此，人们就想到用其他方法解决，这样就衍生出其他电流源电路。

(二)恒流源电路-比例恒流源电路

如图2所示为比例恒流源电路，它由两只特性完全相同的管子VT0和VT1构成，两管的发射极分别串入电阻Re0和Re1。比例恒流电路源改变了IC1≈IR的关系，使IC1与IR呈比例关系，从而克服了镜像恒流源电路的缺点。

与典型的静态工作点稳定电路一样，Re0和Re1是电流负反馈电阻，因此与镜像恒流源电路相比，比例恒流源的输出电流IC1具有更高的稳定性。

当Re0=Re1时，IC1仍然等于IR，但此电路的IR由式(2-4)约定，比式(2-2)的IR小，一般用于前置放大器的输入级。

(三)恒流源电路-微变恒流源电路

由式(2-3)可知，若Re0很小甚至于为零，则Re1只采用较小的电阻就能获得较小的输出电流，这种电路称为微变恒流源，如图3所示。集成运放输入级静态电流很小，往往只有几十微安，甚至更小，因此微变电流源主要应用于集成运放输入级的有源负载。

(四)恒流源电路-多路恒流源电路

集成运放是一个多级放大电路，因而需要多路恒流源电路分别给各级提供合适的静态电流。可以利用一个基准电流去获得多个不同的输出电流，以适应各级的需要。

图4所示电路是在比例恒流源基础上得到的多路恒流源电路，IR为基准电流，IC1、IC2和IC3为三路输出电流。由于各管的b-e间电压UBE数值大致相等，因此可得近似关系

IE0Re0≈IE1Re1≈IE2Re2≈IE3Re3(2-6)

当IE0确定后，各级只要选择合适的电阻，就可以得到所需的电流。