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電流源的電路概念

出處:維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于:2024-03-13 11:47:21 | 1142 次閱讀

  理想電流源是一種無論必須提供給特定輸出負(fù)載的電壓如何都可以提供恒定且穩(wěn)定的電流值的設(shè)備。理想電流源由雙圓或圓內(nèi)箭頭表示,如下圖 1所示:

  圖 1:提供阻抗為 Z 的負(fù)載的理想電流源(左)及其相關(guān)的電壓/電流特性(右)
  理想電流源的特性有時表示為 I=f(V),因為嚴(yán)格數(shù)學(xué)上講,圖 1中的表示不是函數(shù)而是分布。
  實際電流源  電流源中發(fā)生的內(nèi)部功率損耗可以通過并聯(lián)的電阻器 (R S ) 進行建模。I/V 特性不再平坦,但(例如對于電壓源)使用斜率值 -1/R s進行校正 ,如圖2所示:

  圖 2:為阻抗 Z 的負(fù)載供電的實際電流源(左)及其相關(guān)的電流/電壓特性(右)  我們可以注意到,理想電流源相當(dāng)于電阻 R S趨于+∞(開路)的真實電流源。連接規(guī)則在本小節(jié)中,我們強調(diào)一個事實,即在電路中集成電流源時必須牢記一些連接規(guī)則。首先,電流源的端子不能置于開路:

  圖3:電流源開路,禁止連接  開路的電阻為+無窮大,當(dāng)源提供不等于0的電流時,電壓量趨于+無窮大,這是不可能的。實際上,電壓將增加直至其擊穿值,迫使源極端子之間的空氣/真空變得導(dǎo)電。這種現(xiàn)象通常會導(dǎo)致源或至少其一個組件的損壞。此外,兩個或多個電流源的串聯(lián)也是被禁止的,即使兩個源提供相同的電流值。

  圖 4:串聯(lián)配置中的電流源,禁止連接  不允許這種類型的連接的原因是無法預(yù)測等效電路:源會添加,還是只有一個可以有效工作? 電路中某一支路的電流只能取一個值,不能有多個電流疊加。最后,電流源的并聯(lián)是絕對允許并推薦的,以獲得更高的輸出電流:

  圖 5:并聯(lián)配置中的電流源,允許連接
  如圖 5中的第二個電路所示,如果其中一個源的方向相反,則也可以減去這些值。 在并聯(lián)配置中,輸出電流是供電過程中涉及的電流源的代數(shù)和。
  依賴源  在前面的部分中,已經(jīng)介紹了一個獨立的電流源,它們的值是固定的,僅取決于源的設(shè)計。相關(guān)電流源的電流值可以通過外部參數(shù)進行調(diào)整。依賴電流源有兩種類型:壓控電流源(VCCS)和電流控制電流源(CCCS)。在電路圖中,電流相關(guān)源由菱形圖案包圍的箭頭形狀(電流方向)表示:

  圖 6:VCCS(左)和 CCCS(右)  壓控電流源對于這種類型的相關(guān)電流源,輸入(電壓)的性質(zhì)與輸出(電流)不同,鏈接因子標(biāo)記為σ=1/R并表示以西門子 (S) 或 Ω -1為單位的電導(dǎo)率。我們在圖 7中說明了包含 VCCS 的簡單電路的樣子,并展示了如何計算其輸入。

  圖 7:VCCS 電路  由于電壓源 V 1提供分壓器 1 kΩ/1 kΩ,因此 VCCS 的輸入由 V IN =V 1 /2=5 V 給出。由于 VCCS 的增益為 0.2 S,因此依賴的輸出電流源為I S =0.2×V IN =1 A。通過將歐姆定律應(yīng)用到電阻器R 3來簡單地計算輸出電壓,我們得到V S =I S ×R 3 =200 V。VCCS 的一個示例是MOSFET 放大器,它是一種基于電壓效應(yīng)的晶體管

  圖 8:VCCS 示例,MOSFET 提供輸出負(fù)載 R L  作為 VCCS,MOSFET 放大器將稱為柵極電壓的電壓作為輸入,并提供稱為漏極電流的輸出電流。通過觀察 MOSFET 的特性 I D =f(V DS ),我們可以斷定它確實是一個電流源:

  圖 9:MOSFET 的輸出特性  根據(jù)命令柵極電壓 (V GS ),MOSFET 放大器的特性在輸出電壓 V DS達(dá)到一定值后變得平坦。飽和區(qū)的這種特性對于電流源來說是典型的。電流控制電流源在 CCCS 的情況下,輸入和輸出具有相同的性質(zhì)(電流),因此增益是標(biāo)記為k的無量綱量。我們再次說明集成 CCCS 的類似電路,以闡明如何檢索輸出量:

  圖 10:CCCS 電路  控制CCCS的輸入電流在這里直接由歐姆定律給出:I IN =V 1 /(R 1 +R 2 )=5 mA。輸出電流由輸入電流乘以增益k獲得,I S =kI IN =3 mA。最后,通過將歐姆定律應(yīng)用到電阻器R 3,再次給出輸出電壓, V S =I S ×R 3 =0.6 V。CCCS 的示例是基于雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 的放大器,讀者可以參考共發(fā)射極放大器和共集電極放大器的教程以獲得更多詳細(xì)信息。圖 11是針對多個命令基極電流 (I B ) 的集電極支路 (C) 中的輸出特性圖:

  圖 11:BJT I/V 特性
  我們再次認(rèn)識到在特定電壓值之后平坦的 I/V 函數(shù),這對于電流源來說是典型的,就像 MOSFET 放大器一樣。
  結(jié)論
  為了概念化電流源,我們首先提出了理想電流源,它不是真實的設(shè)備,而是理想的結(jié)構(gòu)。無論輸出負(fù)載上的電壓值如何,理想電流源都能提供恒定且穩(wěn)定的輸出電流值。它們通過平坦的 I/V 特性來識別,該特性假定可以提供無限量的功率。然而,為了考慮內(nèi)部功率損耗,實際電流源的I/V 特性呈現(xiàn)出輕微的斜率。該斜率的值由與源并聯(lián)放置的源電阻的電導(dǎo)率給出。源電阻實際上并不存在于設(shè)備中,但它是解釋和簡化計算的一種方式。此外,我們已經(jīng)看到,在設(shè)計包含電流源的電路時必須考慮一些連接規(guī)則。不建議將電流源置于開路并串聯(lián)兩個或多個源。然而,并聯(lián)關(guān)聯(lián)是可以接受的,因為它是一種可以增加輸出電流的有用技術(shù)。最后,我們看到一些特殊的電流源可以通過電路的外部量來控制。它們被稱為依賴源,對于電流源,存在兩種類型:
  壓控電流源 (VCCS)
  電流控制電流源 (CCCS)
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