镜像电流源

镜像电流源原理及其应用电路
任美辉 <， 赵玉梅 <， 梁原华 )
（<’哈尔滨电工仪表研究所， 哈尔滨 哈尔滨 <=**#<；)’哈尔滨理工大学，
<=**#<）
摘要： 本文简要介绍了由运算放大器构成的镜像电流源的基本原理， 并演化出多种应用 电路， 可为使用者提供选择和参考。 关键词：镜像电流源； 应用电路 中图分类号： >(#+ 文献标识码： ? 文章编号： （)**+） <**<@<"A* *!@**"!@*"
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) ’ ) E E ! " ・ ・ F3GG , ) F3GG ,
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因此应选择共模抑制比高和开 环 放 大 倍 数 大 的 运算放大器， 以减小输出电流的误差。 取样电阻 ’ * 的精度对恒流源的精度也有一定影 响。为方便分析， 我们假设放大器是理想运算放大器， ） ， 则 设取样电阻值为 ’ （ ! 为相对误差， * <D!
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双电源供电电流源 当电流源负载阻抗较大> 或输出电流超出运算放
大器带负载能力时> 电流源需提高供电电压或增加功 率输出级。这时采用双电源供电可以很方便地构成各 种应用电路， 电路如图 +、 图 ? 所示。 在图 + 电路中， 根据上述放大器构成的镜像电流 源原理， 把功率管 @ 的发射极接在放大器 : 的电源地 上， 也就是与输入电压信号共地。这样加在电阻 % * 两 端的镜像电压 #$ 与输入电压 #& 相等， 电阻 % * 上的电 流即是输出电流 !*=#$ % *=#& % * ， 此电流源的输出动 态范围由功率管的供电电源大小及其最大电流 输 出 能力决定。电路中仅增加了一个功率管， 因此只能输 出直流电流。图 + 中 AB 为运放电源C’(B 的地， A) 为功 率管电源 ’() 的地。
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B,( 3-1@C51<， DE:F G5@6-1<， H9:(I G527@C52) J<’E20K17 B-4-20.C 974/1/5/- %L -&-./01.2& 974/056-7/2/1%7 ，E20K17 <=**#<M NC172O )’E20K17 P71Q-041/R %L S.1-7.- 27T >-.C7%&%UR ，E20K17 <=**#<M NC172V !"#$%&’$W >C14 ;2;-0 17/0%T5.-4 /C- ;017.1;&- %L /C- 6100%0 .500-7/ 4%50.- /C2/ 14 .%6X ;%4-T %L 26;&1L1-04’ >C- -Q%&Q-T Q201%54 2;;&1-T .10.51/4 .27 %LL-0 /C- .C%1.- 27T 0-LX -0-7.- /% 54-04’ ()* +,%-#W 6100%0 .500-7/ 4%50.- ；2;;&1.2/1%7 .10.51/ :
图<
电流互感器输入 !"! 变换电路 图? 双电源供电大动态范围大功率交流电流源电路 一组电源供电的电流源电路 镜 像 电 流 源 的 特 点 是 镜 像 电 压 #$ 必 须 是 浮 动 的。如前所述， 采用输入隔离或双电源供电方式， 可以 很方便地实现这个要求。而通过巧妙地电Hale Waihona Puke Baidu设计也可 以构成只用一组电源供电的镜像电流源电路。 源C’(B 的地， A) 为电源C’() 的地。
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由放大器构成的镜像电流源工作原理 基于基本镜像电流源原理以及理想运放虚断、 虚
短性质， 我们实验了多种由运算放大器构成的镜像电 流源。共有两种基本形式： 电压控制镜像电流源和电 流控制镜像电流源， 如图 ) 所示。
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基本镜像电流源原理 基本镜像电流源电路如图 < 所示。晶体管 ><、 >)
参数完全相同， !<Y!)M!"#$<Y!"#$)M 由于两管具有相同的 基 @射极间电压J% &#<Y% &#) VM 故 !#<Y!#)， !"<Y!")。当 ! 较大 时 M 基极电流 !& 可以忽略 M 所以 >) 的集电极电流 !") 近 似等于基准电流 !’#(M 即 （% ""*% &#）’ !% ++ ’ !")!!’#() 由上式可以看出 M 当 ’ 确 定后 M!’#( 就确定了 M !") 也随 !’#( 而定。 我们可以把 !") 看作是 !’#( 的镜像M 所以 称为镜像电流源 。
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流 !*=#$ % * = !& % & ! % * 。 使 用 时 应 注 意 电 流 互 感 器 原、 副边同名端的方向， 以确保正确的输出电流方向。
总第 !" 卷 第 !#! 期
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由式 （< ） 可以看出， 决定 测 量 误 差 的 最 大 因 素 不 是对信号的采样速度和采样点数， 而是对 !="> 采样的 量化误差和对 .%4=)!"# $> 和 417=)!"# $> 计算时的 舍入， 它们都可以归结为 ?@A 的有限字长效应。简单 地， 假设采用 B) 位 : ?， 则量化误差为 B !*<+ ， 而等 式右边的分子分母对误差呈同方向变化， 因此最终得 到的计算结果的误差已经很小了。 （) ） 采用适当的算法， 可以通过多种手段使基于
受放大器输出能力的限制， 主要由电源 *’+) 动态范围 的大小和功率管的电流输出能力决定。 图 ? 中 AB 为电
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D#& FB )#" E % B =DB )#" F#B E % )
简化该方程易得 :B 的输出电压 #B=#)F#& ， :B 的
输出电流 ! B =D# B F# ) E % < =F#& % < ， 因 而 电 阻 %+ 上 的 （下转第 B! 页）
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（2 ）
图 + 双电源供电直流电流源电路 运算放大器后级增加一个甲 在图 ? 所示电路中， 乙类互补对称电路， 可以提高电路的输出能力。取样 电阻 % * 的两端分别接到放大器的电源地 AB 与放大器 同相端。根据上述原理我们易得到： 取样电阻 % * 两端 图#
（G ）
一组电源供电的电流源电路
引 言
电流源是一种应用广泛的基本电路单元， 但在以 往的文献中介绍得比较少， 给使用者带来不便。笔者 在研究电流源的过程中， 依据镜像电流源原理以及理 想运算放大器虚断、 虚短的性质， 实验了多种由运算 放大器构成的电流源应用电路，均取得了较好 的 效 果。与已有的电流源电路负载只能接地或只能浮地的 特点相比，文中所述电流源最突出的特点是其负载 ; 端 （见图 ) 所示） 既可以接地， 又可以浮地， 应用起来 非常灵活。该系列电流源可以作直流电流源， 也可作 为交流电流源； 可以作小功率信号电流源， 还可以作 大功率电流源。这些电流源能够非常方便地构成不同 使用条件下的实用电路。 图< 基本镜像电流原理图
$*?+ED
+DD+E D$% ； )F3GG
（+DE+E） $*?, 式中 , 为运算放大器的开环放大倍数； F3GG 为共模 抑制比； 差电压。 化简解得
+DD+E 项为折合到放大器输入端的共模误 )-.’’
#*?$& ’ *?$% ’ *
式中 $% 为输入电压； $& 称为镜像电压。 我们可以把 #* 看作是 $% 的具有一定比例关系的 镜像， 由上式可知， 输出电流与镜像电压 （或 输 入 电 压） 成正比。’ * 一定时， 当输入电压 $% 确定， 镜像电压
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电压控制镜像电流源 如图 )=2>为电压控制镜像电流源。由理想运算放
不难列出： （)*D’ *） +D?)*#*； $*? #*；
大器的性质可知： 运算放大器 : 的同相端与反相端电 压相等， 电流为零。因此放大器反相端与输出端之间 的电压 $% 和同相端与输出端之间的电压 $& 相等， 电 阻 ’ * 上的电流只能流向负载，即等于负载上的输出 电流， 可得
图 ! 电压互感器输入 ! "# 变换电路 电流互感器输入 #"# 变换电路 如 图 I 所 示 A#% 为 输 入 电 流 ， " 为电流互感器变
比。同理可知：互感器二次侧取样电阻 ’ % 上的电压
#・ $&(#%’ % " 。可得输出电 % ’ % " 与镜像电压 $& 相等，
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由此可见， 要提高恒流源的精度， 应选择 ! 较小 的高精度电阻。
" 应用电路 !’< 电压互感器输入 ! E# 变换电路 如图 ! 所示， $% 为 输 入 电 压 ， " 为电压互感器变
比。 由上述原理可知： 互感器二次侧电压 $% " 与镜像 电压 $& 相等， $&($% " 。输出电流 #*?$& ’ * ?$% " ’ * 使用时应注意电压互感器原、副边同名端的 方 向 性 （图中 H 代表互感器的同名端） ， 以确保正确的输出电 流方向。
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（2 ）电压控制镜像电流源
（K ）电流控制镜像电流源
图)
由放大器构成的镜像电流源原理图
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误差分析 通常， 构成电流源的放大器都工作在共模输入状
态下， 加之放大器的开环放大倍数不为无穷大， 因此 电流源的输出阻抗不可能为无穷大， 输出电流必然存 在误差。 以电压控制镜像电流源为例， 图 )=2> 的等效电 路如图 " 所示B)C。
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图" 有共模误差影响及放大器放大倍数不为无 穷大的电流源等效电路
镜像， 由上式可知， 输出电流与输入电流成正比， 电阻 当输入电流 #% 确定， 则输出电流 #* 也随 ’ *、 ’ % 一定时， 之确定。 由以上分析可知， 在电流源的动态工作范围内 A 无 论是电压控制的镜像电流源还是电流控制的镜 像 电 流源， 其输出电流只与输入电压、 输入电流成线性关 系， 与负载 阻 抗 )* 无 关 ， 与负载接地或浮地也无关。 为分析方便， 我们假设负载接地。
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・
・
由上式可知相对误差项为
$& 也 就 确 定 了 ， 因 而 输 出 电 流 #* 随 之 确 定 。 )’) 电流控制镜像电流源 如图 )=@> 为电流控制镜源电流源。同理， 由理想 运算放大器的性质可得： ’* 上 的 电 压 和 ’% 上 的 电 压 相等， 电阻 ’ * 上的电流即是负载上的输出电流 #*。镜 因此输出电流 像电压 $&(#%’ %， （’ % ’ *） ・ #*?$& ’ * ? #% 式中 #% 为输入电流。 我们可以把 #* 看作是 #% 的具有一定比例关系的
放大器 :B 如图 #D2E所示。令 % B=% )=% "=% !， % <=% +， 构成放大倍数为 B 的差动放大器， :" 为电压跟随器， 显然可以得出 #"=#!， 对 :B 的反相端列节点电流方程 为
) $=# ) ， 即# 电阻 % * 的镜像电压 #$ 与输入电压 #& 相等， & ) *="# )& % 。 上的电流也就是输出电流 ! * 这时输出功率不