一、恒流源实现原理
利用运放的两个原则:
- 运放反相和正相输入端电压总是相等
- 运放反相和正相输入端没有电流输入
只需要在正相输入端提供稳定参考电压,反相连接限流电阻和负载,就可以实现简易的恒流源:
图1-运放作为恒流源
图中,正相输入端通过稳压管提供3V参考电压,这意味着只要运放工作在正常状态,反相输入端也是3V电压。反相输入端连接的限流电阻是1KΩ,利用欧姆定律可得限流电阻上流过的电流是3mA(图中显示的是3.02mA)。
反相输入端连接了一个可变电阻的负载,目前负载阻值是300Ω。我们可以调大负载阻值,譬如将负载电阻从300Ω调到1500Ω,通过仿真结果看到,负载上仍然保持了3mA的电流:
图2-运放作为恒流源-调大负载
电流不随着负载的改变而改变,由此,我们得到了一个恒流源。
二、恒流源的调节极限
我们注意到,恒流源的电流大小只和限流电阻阻值有关系,与负载阻值没关系。调节负载阻值不会改变电流大小,但是会改变运放输出端的电压。
比如,对于图1和图2:图1中,负载阻值是300Ω,运放输出端电压为3.92V;图2中,负载阻值是1500Ω,运放输出端电压为7.54V。
如果我们进一步调大负载阻值会怎么样?譬如,将负载阻值调大为2700Ω:
图3-运放作为恒流源-饱和状态
可见,电流并没有维持在3mA,而是降低到了2.43mA。再看运放的输出是9V。在我们的案例中,运放的电源供电范围都是±9V。经过前面几篇对运放介绍,你可以理解,此时运放进入了饱和状态,运放反相和正相输入端电压也不再相等。恒流源也不在维持。
三、动手实验
我们在面包板上实现一个恒流源,上述参数经过调整,也改了一下电路图布局,即,限流电阻从左上搬到了右下,这种布局也是恒流源的习惯性布局。
图4-面包板上的恒流源电路图
其中,参考电压3V,限流电阻10KΩ,意味着恒流源电流为0.3mA(300uA)。负载阻值从100Ω到9.9kΩ可调。特别的,在100Ω情况下,运放输出端电压为3V(3.02V)。
将负载阻值调到9.9kΩ,根据仿真结果显示,恒流源电流仍然为0.3mA(299uA),运放输出端电压为5.96V,效果如下:
图5-面包板上的恒流源电路图-负载阻值调节
我们在面包板上构建电路如下:
图6-面包板上的恒流源
其中,电位器就是表示负载。
首先,将电位器旋钮顺时针转到底,此时负载电阻应为最小,查看恒流源电流和运放输出端电压,分别如下图所示:
图7-负载最小的情况下测恒流源电流:0.3mA
图8-负载最小的情况下测运放输出电压:3V
然后,将电位器旋钮逆时针转到底,此时负载电阻应为最大,查看恒流源电流和运放输出端电压,分别如下图所示:
图9-负载最大的情况下测恒流源电流:0.3mA
图10-负载最大的情况下测运放输出电压:6.1V
可见面板表实验与仿真结果是接近一致的。
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