基于电流输出电路技术的多款实用电路案例

虽然诸如Howland电流源等电流镜和电路在教学时属于模拟电路部分，仍然有相当一部分的工程师在定义精密模拟电路输出时倾向于从电压的角度来考虑问题。这很可惜，因为电流输出可在多方面提供优势，包括高噪声环境下的模拟电流环路信号(0 mA至20 mA和4 mA至20 mA)，以及在不借助光学或磁性隔离技术的情况下针对较大电位差进行模拟信号电平转换。 本文总结了一部分现有技术，并提供多款实用电路。

得到稳定的电流输出是极其简单的事情， 最简单的方法就是使用电流镜： 两个完全相同的晶体管--采用同一块芯片制造，从而工艺、尺寸和温度都完全一致--如图1所示相连。两个器件的基极-射极电压相同，因此流入集电极T2的输出电流等于流入集电极T1的输入电流。

图1. 基本电流镜

此分析假设T1和T2相同且等温，并且它们的电流增益极高，以至于可忽略基极电流。 它还会忽略早期电压，使集电极电流随集电极电压变化而改变。

可采用NPN或PNP晶体管组成这些电流镜。 将n个晶体管并联组成T2,则输出电流为输入电流的n倍，如图2a所示。 若T1由m个晶体管组成，T2由n个晶体管组成，则输出电流将是输入电流的n/m倍，如图2b所示。

图2. (a) 多级电流镜 (b) 非整数比例电流镜可将3个T2集电极结合起来，得到3IIN

若早期电压影响很大，则可使用略为复杂的威尔逊电流镜降至最低。 3晶体管和4晶体管版本如图3所示。4晶体管版本更为精确，且具有更宽的动态范围。

图3. 威尔逊电流镜T4为可选器件，但使用它可改善精度和动态范围

需要跨导放大器(voltage_in/current_out)时，可使用一个单电源运算放大器、一个BJT或FET(MOSFET通常是最佳选择，因为它不存在基极电流误差)以及一个定义跨导值的精密电阻来组成，如图4所示。

图4. 跨导放大器 VIN- IOUT

该电路简单、价格不高。 MOSFET栅极上的电压可设置MOSFET中的电流和R1,使R1上的电压V1等于输入电压VIN.

若单芯片IC中需要用到电流镜，则最好使用简单的晶体管电流镜。 然而，若采用分立式电路，其匹配电阻高昂的价格(价格高是因为需求量有限，而非制造困难)将使图5中的运算放大器电流镜成为最便宜的技术。 该电流镜由跨导放大器和一个额外的电阻组成。

图5. 运算放大器电流镜

电流镜具有相对较高、有时非线性的输入阻抗，因此它们必须由高阻抗电流源(有时亦称为 刚性电流源)提供电流。 若输入电流必须具有低阻抗吸电流能力，则需使用运算放大器。 图6所示为两个低ZIN电流镜。

图6. (a) 低ZIN电流镜反相 (b) 低ZIN电流镜同相