恒流源电路图讲解 基于运放和三极管的恒流源电路设计
大家好，这里是程序员 杰克 。一名平平无奇的嵌入式软件工程师。
最近，杰克又开始不务正业，继续学习起了硬件电路的设计。本篇推文主要内容包括：运放的虚短和虚断描述、简单恒流源电路分析。最后通过一个由三极管/mos管、运算放大器组成的恒流源vi电路示例来演示实际的设计过程。
下面正式进入本章推送的内容。
01 原理介绍&描述
运放的虚短和虚断
特征描述
虚短 当运放工作在线性放大区时，认为同相输入端和反相输入端 短路 。有：vin+ = vin-；个人理解：放大器引脚in+与in-连接成一根导线
虚断 当运放工作在线性放大区时，认为同相输入端、反相输入端都与运放 断路 ，即没有电流流入运放。有vin = vin+，i+ = 0，i- = 0；个人理解 ：放大器引脚in+、in-引脚与pcb的连线断开
02 恒流源描述&分析
简单恒流源电路
简单恒流源电路描述
恒流源电路在硬件电路设计和工程领域中具有广泛的应用。那么什么是恒流源呢？恒流源的定义：“恒流源是一个可向负载提供 恒定电流 ，即使负载阻抗发生变化时，也能保持输出恒定电流大小电路”。
恒流源电路分析
恒流源简单电路如下所示：
分析过程：1. 根据运放的虚断路，同向输入端in+、反相输入端in-连线断开，r1与rl形成串联电路，有： i_in = i_rl;2. 根据运放的虚短路，同向输入端in+与反相输入端in-形成导线连接到gnd，形成“vin - >r1 - >in- - >in+ - >gnd”通路, 有： v_r1 = vin/r1;3. 综合上述, 负载电流i_rl = vin/r1；恒流源vi电路
恒流源vi电路描述
利用电阻和运放，组成一个电压向电流转换(电压控制电流)的恒流源vi电路。该电路可以把输入的电压转换成对应的电流，常用于使用电压去控制负载电流的场合。
恒流源vi电路分析
简单恒流源vi电路如下图所示：
分析过程:1. 根据运放的虚断路，同向输入端in+、反相输入端in-连线断开，反相输入端的电流几乎为0, 负载rl的电流完全由运放输出, rl和rl1组成串联电路, 有: i_rl = i_rl1;2. 根据运放的虚短路，同向输入端in+与反相输入端in-形成导线，形成通路:vin - >r1 - >in+ - >in- - >rl1 - >gnd, r1和rl1组成串联电路有: i_rl1 = vin * rl1/(r1 + rl1); 3. 综合上述, 负载电流i_rl = vin * rl1/(r1 + rl1)；恒流源应用场景
恒流源电路在硬件电路设计和工程领域中具有广泛的应用。诸如led激光等恒定电流驱动、电化学分析、精密测量等领域。
03 恒流源vi电路示例
本小节通过一个运算放大器+三极管组成的恒流源vi电路示例，演示恒流源vi电路的设计过程。
示例原理图&描述
示例原理图如下所示：
序号描述
① 主控ic输出pwm，经过⑤阻容滤波电路滤波后，输出恒定的直流电压vin
② r1和r2组成的串联电路，r2的对vin的分压v_r2作为运放的vin+
③ r4作为负载电流的调节电阻
④ 三极管；要求电路精度更高，可以换成mos管
⑤ 电阻+电容组成的滤波电路
恒流原理分析
恒流原理
示例电路的原理为：当采样电阻r4的电压变化（瞬时负载电流变化）时，直接反馈到运放的反相输入端，它与同相输入端电压的差值被运放放大，输出控制三极管的基极电流，改变三极管的内阻，从而改变发射极与集电极间的电压降，从而使采样电阻的电压保持不变，以达到负载电流恒定的目的。
恒流调节过程
电流计算
对于上述示例原理图，有如下计算推导过程：
1. 根据运放的虚断路，有： vin+ = v_r2; v_r2 = vin * r2/(r2 + r1); 2. 根据运放的虚短路, 有： vin+ = vin-; vin- = i_r4 * r4; 3. 综合上述, 负载电流i_r4 = vin * r2/[(r2 + r1) * r4]；特别说明：根据基尔霍夫定律，流经r4的电流 = 负载电流 + 三极管基极电流；但因为基极电流比较小，此处并未计算进去；04 文章总结
在运放的世界中，虚短路和虚断路的分析方法尤其重要。只要熟练掌握虚短和虚断分析方法，运放、三极管组成的恒流源vi电路的设计和分析就会变得简单很多。
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下面正式进入本章推送的内容。
01 原理介绍&描述
运放的虚短和虚断
特征描述
虚短 当运放工作在线性放大区时，认为同相输入端和反相输入端 短路 。有：vin+ = vin-；个人理解：放大器引脚in+与in-连接成一根导线
虚断 当运放工作在线性放大区时，认为同相输入端、反相输入端都与运放 断路 ，即没有电流流入运放。有vin = vin+，i+ = 0，i- = 0；个人理解 ：放大器引脚in+、in-引脚与pcb的连线断开
02 恒流源描述&分析
简单恒流源电路
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分析过程：1. 根据运放的虚断路，同向输入端in+、反相输入端in-连线断开，r1与rl形成串联电路，有： i_in = i_rl;2. 根据运放的虚短路，同向输入端in+与反相输入端in-形成导线连接到gnd，形成“vin - >r1 - >in- - >in+ - >gnd”通路, 有： v_r1 = vin/r1;3. 综合上述, 负载电流i_rl = vin/r1；恒流源vi电路
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分析过程:1. 根据运放的虚断路，同向输入端in+、反相输入端in-连线断开，反相输入端的电流几乎为0, 负载rl的电流完全由运放输出, rl和rl1组成串联电路, 有: i_rl = i_rl1;2. 根据运放的虚短路，同向输入端in+与反相输入端in-形成导线，形成通路:vin - >r1 - >in+ - >in- - >rl1 - >gnd, r1和rl1组成串联电路有: i_rl1 = vin * rl1/(r1 + rl1); 3. 综合上述, 负载电流i_rl = vin * rl1/(r1 + rl1)；恒流源应用场景
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03 恒流源vi电路示例
本小节通过一个运算放大器+三极管组成的恒流源vi电路示例，演示恒流源vi电路的设计过程。
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示例原理图如下所示：
序号描述
① 主控ic输出pwm，经过⑤阻容滤波电路滤波后，输出恒定的直流电压vin
② r1和r2组成的串联电路，r2的对vin的分压v_r2作为运放的vin+
③ r4作为负载电流的调节电阻
④ 三极管；要求电路精度更高，可以换成mos管
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1. 根据运放的虚断路，有： vin+ = v_r2; v_r2 = vin * r2/(r2 + r1); 2. 根据运放的虚短路, 有： vin+ = vin-; vin- = i_r4 * r4; 3. 综合上述, 负载电流i_r4 = vin * r2/[(r2 + r1) * r4]；特别说明：根据基尔霍夫定律，流经r4的电流 = 负载电流 + 三极管基极电流；但因为基极电流比较小，此处并未计算进去；04 文章总结
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