基于运算放大器的压控电流源电路设计

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　　顾名思义，压控电流源电路是输入端的少量电压将按比例控制流经输出负载的电流。这种类型的电路在电子产品中常用来驱动BJT、SCR等电流控制器件。众所周知，在BJT中，流经晶体管基极的电流控制着晶体管闭合的数量，可以提供该基极电流对于许多类型的电路，一种方法是使用这种压控电流源电路。还可以检查恒流电路，该电路也可用于驱动电流控制设备。在本文中，将介绍使用运算放大器设计和构建电压控制电流源的工作原理。这种压控电流源电路也称为电流伺服。该电路非常简单，可以用最少数量的元件构成。

　　1.运算放大器原理

　　图1是单个运算放大器。放大器放大信号，但除了放大信号之外，它还可以进行数学运算。并且在许多应用中，可作为加法放大器，差分放大器，仪表放大器，运算放大器积分器等等。如图所示，运算放大器有两个输入和一个输出。这两个输入具有 + 和 - 符号。正输入称为同相输入，负输入称为反相输入。

　　图1 单个运算放大器

　　2.电压跟随器电路

　　图2 电压跟随器电路图

　　图2是放大电路是一个电压跟随器电路。输出连接在负端子上，使其成为 1x 增益放大器。因此，输入端给出的电压可用于输出端。如上所述，运算放大器将两个输入的微分设为0。当输出连接在输入端子上时，运算放大器将产生与另一个输入端子上提供的电压相同的电压。因此，如果在输入端提供 5V，当放大器输出连接到负端子时，它将产生5V，最终证明规则5V– 5V=0。这适用于放大器的所有负反馈操作。

　　3.设计压控电流源

　　如图3所示，现在不是直接连接到负输入的运算放大器的输出，负反馈来自连接在N 沟道MOSFET两端的分流电阻器。运算放大器输出连接在Mosfet 门上。让我们假设，在运算放大器的正输入端提供1V输入。运算放大器将不惜一切代价使负反馈路径为1V。输出将打开MOSFET以在负端子上获得1V。分流电阻的规则是根据欧姆定律产生压降，V= IR。因此，如果1A 电流流过1 欧姆电阻，则会产生 1V压降。

　　图3 负反馈电路

　　运算放大器将使用此压降并获得所需的1V 反馈。现在，如果连接一个需要电流控制才能运行的负载，可以使用该电路并将负载放置在适当的位置。

　　图4 电流控制的负载电路

　　图5是运算放大器电压控制电流源的详细电路图。

　　图5 电压控制电流源设计电路图

　　4.构建电路

　　为了构建这个电路，需要一个运算放大器。LM358是一款非常便宜、容易找到的运算放大器，它是这个项目的完美选择，然而，它在一个封装中有两个运算放大器通道，但只需要一个。图6是LM358引脚图。

　　图6 LM358引脚图

　　接下来，需要一个N 沟道MOSFET，因为使用了这个IRF540N，其他MOSFET也可以使用，但请确保MOSFET 封装可以选择连接额外的散热器(如果需要)，并且需要仔细考虑选择合适的规格的MOSFET 根据需要。IRF540N 引脚排列如图7所示。

　　图7 IRF540N引脚排列图

　　第三个要求是分流电阻。本文选装1ohms 2watt 电阻器。另外两个电阻器是必需的，一个用于MOSFET的栅极电阻，而另一个是所述反馈电阻。这两个是减少负载效应所必需的。然而，这两个电阻之间的压降可以忽略不计。

　　现在，需要一个电源，它是一个台式电源。工作台电源有两个可用通道。其中一个，第一个通道用于为电路提供电源，另一个是第二个通道，用于提供可变电压以控制电路的源电流。由于控制电压是由外部源施加的，因此两个通道需要处于相同的电位，因此第二通道的接地端连接在第一通道接地端的两端。

　　但是，可以使用任何类型的电位器从可变分压器中提供此控制电压。在这种情况下，单个电源就足够了。因此，制作压控可变电流源需要以下元件：

• 运算放大器 (LM358)

• MOSFET (IRF540N)

• 分流电阻器(1 欧姆)

• 1k电阻

• 10k电阻

• 电源(12V)

• 供电单元

• 面包板和额外的连接线

　　5.压控电流源工作

　　该电路在面包板中构建以进行测试，如图8所示。电路中未连接负载，使其接近理想的0欧姆(短路)，用于测试电流控制操作。

　　图8 电路在面包板测试

　　输入电压从0.1V变为0.5V，电流变化反映在另一个通道中。如9图所示，电流消耗为0.4V的输入有效地成为第二个通道，以在9V输出下消耗400mA的电流。该电路使用9V电源供电。

　　图9 电流变化

　　它根据输入电压进行响应。例如，当输入电压为0.4V时，运算放大器将响应在其反馈引脚中具有相同的电压0.4V。运算放大器的输出打开并控制MOSFET，直到分流电阻上的压降变为0.4V。在这种情况下应用欧姆定律。如果通过电阻器的电流为400mA (4A)，则电阻器只会产生0.4V的压降。这是因为电压 = 电流x电阻。因此，4V= 4Ax1欧姆。

　　如果像原理图中描述的那样串联一个负载(电阻负载)，在电源的正极端子和MOSFET的漏极引脚之间，运算放大器将打开MOSFET 和通过产生与以前相同的压降，相同量的电流将流过负载和电阻器。因此，可以说流经负载的电流(源电流)等于流经 MOSFET 的电流，也等于流经分流电阻器的电流。把它放在一个数学形式，得到：

　　负载的电流=电压降/分流电阻。

　　如上所述，压降将与运算放大器两端的输入电压相同。因此，如果输入电压发生变化，通过负载的电流源也会发生变化。因此，

　　提供给负载的电流= 输入电压/分流电阻。

　　总结

　　以上基于运算放大器的压控电流源电路设计介绍了。本设计还需改进：①电阻瓦数的增加可以改善分流电阻两端的散热。要选择分流电阻器的瓦数，可以使用Rw = I2R，其中Rw是电阻器瓦数，I是最大源电流，R是分流电阻器的值;②与LM358 一样，许多运算放大器IC在单个封装中具有两个运算放大器。如果输入电压过低，可以根据需要使用第二个未使用的运放对输入电压进行放大。③为了改善热和效率问题，可以使用低导通电阻 MOSFET 和适当的散热器。