討論一款經(jīng)典的使用三極管的恒流源電路

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(fù)載。

恒流源電路的特點(diǎn)是： 當(dāng)負(fù)載阻值發(fā)生變化時(shí)，流過其中的電流總是不變的，基本原理是通過實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出電流并實(shí)時(shí)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(gè)二極管，所以運(yùn)放OP1形成了深度負(fù)反饋路徑，如下圖所示：

在深度負(fù)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(fù)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(huì)有一定的誤差，如果要求較高，可以使用使用場(chǎng)效應(yīng)管替代三極管，工作原理是相同的……等等，好像有點(diǎn)不對(duì)呀，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與源極之間是絕緣的，就相當(dāng)于一個(gè)電容器，如下圖所示。也就是說，運(yùn)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(gè)電路是有問題的！

蝦米？我來分析一下，還是按照以前在《運(yùn)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(gè)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(dòng)，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(shí)，VT1開始導(dǎo)通。如果任由VGS繼續(xù)上升，VT1最終會(huì)進(jìn)入 可變電阻區(qū) （Ohmic Region），此時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管會(huì)從夾斷區(qū)進(jìn)入 恒流區(qū) ，最終進(jìn)入 可變電阻區(qū) ，相應(yīng)的工作點(diǎn)移動(dòng)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(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入恒流區(qū)后，不斷攀升的VGS會(huì)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(huì)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(shí)，會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載電流IRL就像你剛才說的V REF /R S ，而VT1則也會(huì)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(chǎng)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(fù)載電流并反饋到OP 1 ，當(dāng)負(fù)載電流上升時(shí)會(huì)降低V GS ，反過來，當(dāng)負(fù)載電流下降時(shí)則提升V GS ，最終使負(fù)載電流保持不變。換句話說，OP1其實(shí)也處于閉環(huán)負(fù)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。