大家好，這里是程序員 杰克 。一名平平無(wú)奇的嵌入式軟件工程師。

最近，杰克又開(kāi)始不務(wù)正業(yè)，繼續(xù)學(xué)習(xí)起了硬件電路的設(shè)計(jì)。本篇推文主要內(nèi)容包括：運(yùn)放的虛短和虛斷描述、簡(jiǎn)單恒流源電路分析。最后通過(guò)一個(gè)由三極管/mos管、運(yùn)算放大器組成的恒流源VI電路示例來(lái)演示實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程。

下面正式進(jìn)入本章推送的內(nèi)容。

01 原理介紹&描述

運(yùn)放的虛短和虛斷

02 恒流源描述&分析

簡(jiǎn)單恒流源電路

簡(jiǎn)單恒流源電路描述

恒流源電路在硬件電路設(shè)計(jì)和工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。那么什么是恒流源呢？恒流源的定義：“恒流源是一個(gè)可向負(fù)載提供 恒定電流 ，即使負(fù)載阻抗發(fā)生變化時(shí)，也能保持輸出恒定電流大小電路”。

恒流源電路分析

恒流源簡(jiǎn)單電路如下所示：

分析過(guò)程：
1. 根據(jù)運(yùn)放的虛斷路，同向輸入端IN+、反相輸入端IN-連線斷開(kāi)，R1與RL形成
串聯(lián)電路，有：
    I_in = I_RL;

2. 根據(jù)運(yùn)放的虛短路，同向輸入端IN+與反相輸入端IN-形成導(dǎo)線連接到GND，
形成“Vin - >R1 - >IN- - >IN+ - >GND”通路, 有：
    V_R1 = Vin/R1;

3. 綜合上述, 負(fù)載電流I_RL = Vin/R1；

恒流源VI電路

恒流源VI電路描述

利用電阻和運(yùn)放，組成一個(gè)電壓向電流轉(zhuǎn)換(電壓控制電流)的恒流源VI電路。該電路可以把輸入的電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流，常用于使用電壓去控制負(fù)載電流的場(chǎng)合。

恒流源VI電路分析

簡(jiǎn)單恒流源VI電路如下圖所示：

分析過(guò)程:
1. 根據(jù)運(yùn)放的虛斷路，同向輸入端IN+、反相輸入端IN-連線斷開(kāi)，反相輸入端
的電流幾乎為0, 負(fù)載RL的電流完全由運(yùn)放輸出, RL和RL1組成串聯(lián)電路, 有:
    I_RL = I_RL1;

2. 根據(jù)運(yùn)放的虛短路，同向輸入端IN+與反相輸入端IN-形成導(dǎo)線，形成通路:
"Vin - >R1 - >IN+ - >IN- - >RL1 - >GND", R1和RL1組成串聯(lián)電路有:
    I_RL1 = Vin * RL1/(R1 + RL1);
    
3. 綜合上述, 負(fù)載電流I_RL = Vin * RL1/(R1 + RL1)；

恒流源應(yīng)用場(chǎng)景

恒流源電路在硬件電路設(shè)計(jì)和工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。諸如LED激光等恒定電流驅(qū)動(dòng)、電化學(xué)分析、精密測(cè)量等領(lǐng)域。

03 恒流源VI電路示例

本小節(jié)通過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器+三極管組成的恒流源VI電路示例，演示恒流源VI電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。

示例原理圖&描述

示例原理圖如下所示：

恒流原理分析

恒流原理

示例電路的原理為：當(dāng)采樣電阻R4的電壓變化（瞬時(shí)負(fù)載電流變化）時(shí)，直接反饋到運(yùn)放的反相輸入端，它與同相輸入端電壓的差值被運(yùn)放放大，輸出控制三極管的基極電流，改變?nèi)龢O管的內(nèi)阻，從而改變發(fā)射極與集電極間的電壓降，從而使采樣電阻的電壓保持不變，以達(dá)到負(fù)載電流恒定的目的。

恒流調(diào)節(jié)過(guò)程

電流計(jì)算

對(duì)于上述示例原理圖，有如下計(jì)算推導(dǎo)過(guò)程：

1. 根據(jù)運(yùn)放的虛斷路，有：
    Vin+ = V_R2;
    V_R2 = Vin * R2/(R2 + R1);
    
2. 根據(jù)運(yùn)放的虛短路, 有：
    Vin+ = Vin-;
    Vin- = I_R4 * R4;
    
3. 綜合上述, 負(fù)載電流I_R4 = Vin * R2/[(R2 + R1) * R4]；


特別說(shuō)明：
根據(jù)基爾霍夫定律，流經(jīng)R4的電流 = 負(fù)載電流 + 三極管基極電流；但因?yàn)榛鶚O
電流比較小，此處并未計(jì)算進(jìn)去；

04 文章總結(jié)

在運(yùn)放的世界中，虛短路和虛斷路的分析方法尤其重要。只要熟練掌握虛短和虛斷分析方法，運(yùn)放、三極管組成的恒流源VI電路的設(shè)計(jì)和分析就會(huì)變得簡(jiǎn)單很多。