在電子電路的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，壓控電流源電路扮演著至關(guān)重要的角色。壓控電流源電路，顧名思義，是指輸入端的少量電壓能夠按比例控制流經(jīng)輸出負(fù)載的電流。這種類型的電路在電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，常被用于驅(qū)動(dòng)如 BJT、SCR 等電流控制器件。以 BJT 為例，流經(jīng)晶體管基極的電流控制著晶體管閉合的程度，而壓控電流源電路就能為基極提供所需電流。此外，恒流電路也可用于驅(qū)動(dòng)電流控制設(shè)備，不過本文將重點(diǎn)介紹使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)和構(gòu)建電壓控制電流源的工作原理，這種壓控電流源電路也被稱為電流伺服，其顯著特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)量極少。

1. 運(yùn)算放大器原理

運(yùn)算放大器是一種多功能的電子元件，它不僅能夠放大信號(hào)，還能進(jìn)行各類數(shù)學(xué)運(yùn)算。在眾多應(yīng)用場景中，它可作為加法放大器、差分放大器、儀表放大器、運(yùn)算放大器積分器等。如圖 1 所示，單個(gè)運(yùn)算放大器有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出，兩個(gè)輸入分別標(biāo)有 “+” 和 “ - ” 符號(hào)，正輸入稱為同相輸入，負(fù)輸入稱為反相輸入。

圖 1 單個(gè)運(yùn)算放大器

2. 電壓跟隨器電路

電壓跟隨器電路是一種特殊的放大電路，其輸出連接在負(fù)端子上，從而成為 1x 增益放大器。這意味著輸入端的電壓能夠直接傳輸?shù)捷敵龆?。運(yùn)算放大器的特性是將兩個(gè)輸入的微分設(shè)為 0，當(dāng)輸出連接在輸入端子上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生與另一個(gè)輸入端子上提供的電壓相同的電壓。例如，若在輸入端提供 5V 電壓，當(dāng)放大器輸出連接到負(fù)端子時(shí)，輸出也將為 5V，即 5V - 5V = 0，這一特性適用于放大器的所有負(fù)反饋操作。

圖 2 電壓跟隨器電路圖

3. 設(shè)計(jì)壓控電流源

在設(shè)計(jì)壓控電流源時(shí)，負(fù)反饋并非直接來自運(yùn)算放大器的輸出，而是來自連接在 N 溝道 MOSFET 兩端的分流電阻器，運(yùn)算放大器的輸出則連接在 Mosfet 門上。假設(shè)在運(yùn)算放大器的正輸入端提供 1V 輸入，運(yùn)算放大器會(huì)努力使負(fù)反饋路徑的電壓達(dá)到 1V，它會(huì)打開 MOSFET 以在負(fù)端子上獲得 1V。根據(jù)歐姆定律 V = IR，若 1A 電流流過 1 歐姆電阻，就會(huì)產(chǎn)生 1V 壓降，運(yùn)算放大器會(huì)利用這個(gè)壓降來獲得所需的 1V 反饋。此時(shí)，若連接一個(gè)需要電流控制才能運(yùn)行的負(fù)載，就可以將負(fù)載放置在合適的位置。

圖 3 負(fù)反饋電路

圖 4 電流控制的負(fù)載電路

圖 5 電壓控制電流源設(shè)計(jì)電路圖

4. 構(gòu)建電路

構(gòu)建這個(gè)壓控電流源電路需要以下元件：

• 運(yùn)算放大器：LM358 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它價(jià)格便宜且容易獲取。雖然它在一個(gè)封裝中有兩個(gè)運(yùn)算放大器通道，但本設(shè)計(jì)僅需使用一個(gè)。
  
  圖 6 LM358 引腳圖
• N 溝道 MOSFET：這里選用了 IRF540N，不過其他 MOSFET 也可使用。在選擇時(shí)，要確保 MOSFET 封裝可以連接額外的散熱器（如果需要），并且要根據(jù)實(shí)際需求仔細(xì)考慮其規(guī)格。
  
  圖 7 IRF540N 引腳排列圖
• 分流電阻：本文選用 1 歐姆 2 瓦的電阻器。此外，還需要另外兩個(gè)電阻器，一個(gè)用于 MOSFET 的柵極電阻，另一個(gè)作為反饋電阻，這兩個(gè)電阻可減少負(fù)載效應(yīng)，且它們之間的壓降可忽略不計(jì)。
• 電源：可使用臺(tái)式電源，它有兩個(gè)可用通道。一個(gè)通道為電路提供電源，另一個(gè)通道提供可變電壓以控制電路的源電流。由于控制電壓由外部源施加，所以兩個(gè)通道需處于相同電位，可將第二通道的接地端連接在第一通道接地端的兩端。當(dāng)然，也可以使用任何類型的電位器從可變分壓器中提供控制電壓，這種情況下，單個(gè)電源就足夠了。

5. 壓控電流源工作

為了測試該電路，將其構(gòu)建在面包板上，且電路中未連接負(fù)載，使其接近理想的 0 歐姆（短路），以測試電流控制操作。
當(dāng)輸入電壓從 0.1V 變?yōu)?0.5V 時(shí)，電流變化會(huì)反映在另一個(gè)通道中。如圖 9 所示，當(dāng)輸入電壓為 0.4V 時(shí)，電路在 9V 輸出下消耗 400mA 的電流。該電路使用 9V 電源供電。

根據(jù)歐姆定律，流經(jīng)負(fù)載的電流（源電流）等于流經(jīng) MOSFET 的電流，也等于流經(jīng)分流電阻器的電流，即負(fù)載的電流 = 電壓降 / 分流電阻。由于壓降與運(yùn)算放大器兩端的輸入電壓相同，所以當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，通過負(fù)載的電流源也會(huì)相應(yīng)變化，即提供給負(fù)載的電流 = 輸入電壓 / 分流電阻。

總結(jié)

本設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了基本的壓控電流源功能，但仍有改進(jìn)的空間：

• 散熱問題：增加電阻瓦數(shù)可以改善分流電阻兩端的散熱情況。選擇分流電阻器的瓦數(shù)時(shí)，可以使用公式 Rw = I2R，其中 Rw 是電阻器瓦數(shù)，I 是最大源電流，R 是分流電阻器的值。
• 輸入電壓放大：許多運(yùn)算放大器 IC 在單個(gè)封裝中具有兩個(gè)運(yùn)算放大器，如 LM358。若輸入電壓過低，可以根據(jù)需要使用第二個(gè)未使用的運(yùn)放對輸入電壓進(jìn)行放大。
• 熱和效率問題：為了改善熱和效率問題，可以使用低導(dǎo)通電阻 MOSFET 和適當(dāng)?shù)纳崞鳌?/li>