與電池和交流墻上電源等電壓源相比，電流源不太熟悉。電流源通常埋在電子電路內(nèi)，看不見(jiàn)。了解它們是什么以及如何設(shè)計(jì)它們。

我們大多數(shù)人都了解電壓源。無(wú)論您只將一個(gè)設(shè)備還是多個(gè)設(shè)備插入墻上插座，電壓都保持不變。當(dāng)您將兩三個(gè)電池串聯(lián)時(shí)，電壓會(huì)增加一倍或三倍。

測(cè)量電壓很容易。如果您有電壓表，請(qǐng)將其設(shè)置為適當(dāng)?shù)谋壤?，然后將兩個(gè)探頭放入墻上插座（當(dāng)然要小心）或穿過(guò)電池。

然而，電流不太熟悉。甚至一些技術(shù)人員也不真正了解電流或知道如何測(cè)量它。了解當(dāng)前來(lái)源甚至知道它們存在的更少。在本文中，讓我們快速回顧一下電流的基礎(chǔ)知識(shí)，然后再進(jìn)入電流源。

電壓與電流

深入研究，讓我們看一下圖1，它將電流與水流進(jìn)行了比較。

圖1. 水流類(lèi)似于電流。

電壓是泵產(chǎn)生的壓力，電流是流量。添加電阻（限制）會(huì)降低電流（流量）。如果電路斷開(kāi)（管道堵塞），仍然會(huì)有電壓（壓力）但沒(méi)有電流（流量）。

為了測(cè)量水流量，在管道中串聯(lián)添加流量計(jì)。同樣，為了測(cè)量電流，需要串聯(lián)添加電流表，如圖2所示。

圖2. 電流測(cè)量要求儀表串聯(lián)連接，而不是并聯(lián)。

電路通常必須斷開(kāi)（斷線或連接打開(kāi)）才能添加儀表。這與電壓不同，電壓可以通過(guò)觸摸兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的儀表探頭來(lái)測(cè)量。

順便說(shuō)一句，有夾式電流計(jì)纏繞在電線上，并通過(guò)測(cè)量電線的磁場(chǎng)間接測(cè)量電流。這些不需要斷開(kāi)電路。這些類(lèi)似于使用超聲波束測(cè)量水流量的外夾式流量計(jì)。

電流源與電壓源

接下來(lái)，請(qǐng)看圖3，其中比較了電壓和電流源。

圖3. 電壓負(fù)載并聯(lián)連接（a），而電流負(fù)載串聯(lián)（b）。

將負(fù)載并聯(lián)到電壓源會(huì)增加電流，但不會(huì)改變電壓，除非總電流大于電源（發(fā)電機(jī)或電池）可以提供的電流。

在圖3b所示的電流源示例中，負(fù)載串聯(lián)添加。如果添加額外的發(fā)光二極管（LED），電阻會(huì)發(fā)生變化。如果電機(jī)被移除（用短路代替），電壓會(huì)改變，但電流不會(huì)改變。除非總負(fù)載電壓超過(guò)電流源可以提供的電壓，否則電流將保持恒定。

電流源應(yīng)用

電流源電路廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。電流而不是電壓用于長(zhǎng)距離傳輸模擬測(cè)量值。電流傳輸具有過(guò)電壓信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。電流不受長(zhǎng)接線增加電阻的影響。此外，電流信號(hào)不太容易受到電噪聲或電磁干擾（EMI）的影響。

工業(yè)兩線制傳輸

在工業(yè)應(yīng)用中，通常使用電流范圍為 4 至 20 mA DC 的提升零點(diǎn)信號(hào)。提升零點(diǎn)信號(hào)意味著4

mA表示范圍的低端（通常為零）。電流范圍的高滿量程端為20 mA。例如，4 到 20 mA 可能表示角度位置傳感器的 0 到 250

度。圖4顯示了一個(gè)典型的4–20 mA工業(yè)電流通信系統(tǒng)。

圖4. 用于傳輸測(cè)量信號(hào)的典型工業(yè) 4-20 mA 電流環(huán)路。

電流源的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在某些系統(tǒng)中，可以通過(guò)與電流信號(hào)相同的兩根線發(fā)送功率。工業(yè)兩線制變送器控制回路中的電流與測(cè)量值成正比，并從環(huán)路電流中“竊取”其工作功率。

電流源和 LED 驅(qū)動(dòng)器

LED通常由電流源驅(qū)動(dòng)。如上所述，一個(gè)、兩個(gè)或幾個(gè)LED可以串聯(lián)，電流不會(huì)改變。電流源通常是專(zhuān)用的LED驅(qū)動(dòng)器IC，而不是您可以自己設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單電路。通常，它們使用脈寬調(diào)制

（PWM） 來(lái)在負(fù)載和電源電壓變化的情況下保持高效運(yùn)行。許多可用，具有針對(duì)不同應(yīng)用的不同功能。

要了解更多信息，以下是 Diodes Inc. 的簡(jiǎn)單 IC 的鏈接。還有一個(gè)來(lái)自安森美。

集成電路中的電流源

電流源也用于IC的內(nèi)部電路，特別是模擬電路。電流源也稱(chēng)為電流鏡。流行的電流鏡設(shè)計(jì)包括Widlar電流源，以傳奇模擬設(shè)計(jì)師Bob

Widlar的名字命名。

如何設(shè)計(jì)電流源？

請(qǐng)看一下圖5，它顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的單晶體管電流源電路。

圖5.單晶體管電流源。

由于NPN晶體管的基極-發(fā)射極壓降，發(fā)射極電壓比基極電壓（Vb）低約0.7伏。發(fā)射極電流，即，等于Ve/R。無(wú)論集電極上的電壓如何，集電極電流都將是恒定的，大約等于Ie?？傮w而言，由于通過(guò)底座的輕微電流，它將降低約百分之一。

該電路有時(shí)被稱(chēng)為吸電流，因?yàn)樗鼜碾娫次栈蛭针娏?。要將其更改為源，?qǐng)將NPN晶體管替換為PNP晶體管，然后將電路倒置，將負(fù)輸出連接到公共輸出。

如果Vb是可變的，則Ie和Ic將按比例變化。圖5還顯示了兩個(gè)可能的固定電壓源。如果電源電壓變化，使用兩個(gè)電阻的電阻器會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電流發(fā)生變化。無(wú)論電源電壓發(fā)生變化，齊納電源仍將保持不變。

用于工業(yè)過(guò)程測(cè)量的精密 4-20 mA 電源

圖6增加了一個(gè)運(yùn)算放大器，以創(chuàng)建一個(gè)精密電壓控制的4–20 mA電流源。

圖6. 精密 4-20 mA 源。

0–1 VDC 輸入可能是來(lái)自熱電偶、應(yīng)變片或其他傳感器的放大測(cè)量信號(hào)。兩個(gè)輸入電阻將其轉(zhuǎn)換為0.2-1.0 V，產(chǎn)生4

mA輸出失調(diào)。運(yùn)算放大器反饋使發(fā)射極輸出等于0.2–1.0 V輸入。50 Ω電阻將其轉(zhuǎn)換為4–20 mA輸出電流。

如圖所示，由于電阻的典型容差為+/-1%，1 V電源的變化以及發(fā)射極和集電極電流之間的微小差異，電路的精度將低于完全。

另一方面，圖7顯示了一個(gè)實(shí)用版本，該版本增加了增益和失調(diào)調(diào)整，并使用了5 V基準(zhǔn)電壓源。

圖7. 改進(jìn)的4-20 mA電路，可精確調(diào)整增益和失調(diào)。

運(yùn)算放大器工作電壓不超過(guò)5 V。24 V輸出電源支持高達(dá)約1100 Ω（20 mA時(shí)為22 V）的輸出電阻，但在較低電阻下可以使用較低的電壓。

運(yùn)算放大器的規(guī)格并不重要。晶體管的最大功率發(fā)生在低輸出電阻下：如果負(fù)載為零歐姆，則為 0.48 W（20 mA 時(shí)為 24

V）。它的額定功率應(yīng)至少為1 W，以安全處理超過(guò)20 mA的電流。

其他電流源設(shè)計(jì)

還有其他幾種設(shè)計(jì)電流源的方法。以下是一些示例，包括以前的“關(guān)于電路”文章詳細(xì)描述的一些示例：

使用MOSFET電流源（FET電流鏡）的示例

使用結(jié)型晶體管電流鏡的示例

使用穩(wěn)壓器IC制作電流源

使用運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)電壓控制雙向輸出電流源的文章

除了這些文章之外，您還可以舉例說(shuō)明電流源 IC，即 LM134/LM234/LM334，該 IC 可從多家制造商處獲得。

總結(jié)電流源

快速總結(jié)一下，與電壓源相比，對(duì)電流源的理解不如廣泛。電流源產(chǎn)生的電流不受負(fù)載變化的影響。它們廣泛用于長(zhǎng)距離發(fā)送模擬過(guò)程信號(hào)、照明 LED 和內(nèi)部 IC

電路。在本文中，我們回顧了基礎(chǔ)知識(shí)并分享了幾種不同的設(shè)計(jì)方法。