电流源电路
和输出恒定电压的电压源类似,电流源可以输出恒定的电流。

电流源分为拉电流(Current sink) 和 灌电流(Current source)两种, 本文不做区分,统称之为电流源。
一些不同的翻译如下:
Current Source: 电流源、灌电流。
Current Sink: 电流汇、拉电流、吸电流。
电流源的应用
电流源的应用非常广泛。
直接使用
LED 驱动
电池充电
传感器驱动
测试和测量
电阻测量
二极管测量
桥驱动
基本构建块
偏置电路
主动负载
锯齿波生成
晶体管电流源有非常多的应用,是初级电子工程师到中级电子工程师的过渡过程中必须要掌握的一个基本电路。
拉电流和灌电流的区别
拉电流(Current Source)和灌电流(Current Sink)指的是电流源和外部负载的连接方式。这里的电流源设备可以是电路、系统、微控制器或其他电子设备。

当负载以这样一种方式连接到到电路(设备),使得电路向负载提供电流时,该电路被称为灌电流 Current Source 电路。
当负载以这样一种方式连接到到电路(设备),使得电流从电源(Power Supply)流经负载并流入电路时,该电路被称为吸电流 Current Sink 电路。
电流源可以有多种构建方式,比如运放等。本文主要关注晶体管电流源。有多种不同的配置,我们将在这里简单介绍其中几种,然后再进行实验。

上图中我们假设三极管发射结压降是 0.6V。
最左边的是最简单的形式之一:在该晶体管的基极设置一个固定的偏置电压,这样在发射极电阻两端就会产生一个固定的电压差,从而在集电极设置一个固定的电流,而不管集电极电阻怎样变化。
总体思路就是给参考电阻两端设置一个不变的电压,三极管就会调节自身电压维持这个电压不变,使得即使 VDD 在一定范围内变化,但流过负载的电流不变。
电流源具有高输出阻抗
电流源的一个关键特性是它具有高输出阻抗。如果你观察某个电阻的电压与电流的特性,并将其绘制出来,结果将是一条交于零点(零电压、零电流)的直线,随着电压的增加,电流也会增加。该线的斜率实质上将告诉你该电阻的值。

在上图中,高阻值电阻的斜率非常大(陡峭),而低阻值电阻的斜率小。这是由欧姆定律决定的。
相比之下,电流源则看起来更像下图,图中电流保持几乎恒定。理想情况下,它会是完全恒定的,但实际上通常只能对电压变化保持几乎恒定。

实验电路
我们搭建一个非常简单的电路,18k的电阻和一个2K电阻,用以在晶体管上建立偏置电压,设置三极管发射极电阻两端产生一个固定的电压,从而设置电流源的电流。

三极管我使用的型号是 S8050。电流由Rf两端的电压和Rf阻值决定。三极管会维持Rf两端电压几乎不变,而不管VDD(2v-10v)电压如何变化。锤百炼还坚劲,任尔东西南北风。
单管电流源
面包板上搭建好的三极管电流源电路如下:

如下图所示,我们使用 34401 数字万用的电流档测量电流源电流,使用两块可调电源供电,最左边的汉泰电源固定10V, 中间的是一块线性可调电源:

上图中显示电流源的电流为 997uA
静态测量
让我们再测量几组初始状态的电压。
测量晶体管基极的电压是0.99V:

三极管发射极电压是0.38V。三极管发射结压降为 0.99V-0.38V=0.61V。
估算电流 = 0.38V/390Ω = 974uA。接近我们测量的 997uA
10V 电压
10V 电压时的电流为 997uA
5V 电压
如果我将电流源的输入电压(三极管集电极电压)降低到5伏,我们可以看到电流源电流从 997uA 降到 988 uA。考虑到电流源输入电压变化了 5V ,9uA 的电流变化不算太大:

2V 电压
让我们再降低一点输入电压至大约 2V。可以看到我们的电流源吸入的电流是 981 uA:

对于 8V 的输入电压变化,我们电流源电流变化只有 16uA。
单管电流源的输出阻抗
现在,让我们用上面的实验结果计算我们的电流源的输出阻抗。我们知道可以通过计算斜线线的斜率来求得输出阻抗。
10伏减去2伏,即8伏,再除以电流变化,997uA减去 981uA。让我们来算一下:

我们得到的输出阻抗约等于 498 kΩ。
如果将这个电流源作为一个简单放大电路中的负载,比如一个三极管放大电路,增益通常是gm 乘以负载电阻 Rc,如果你乘以 498000 Ω,我们就能获得这个放大电路通过使用电流源作为负载(主动负载)而获得的巨大增益。电流源主动负载相比简单电阻负载,可以通过其高输出阻抗,巨幅提高放大电路的增益。类似的应用几乎出现在所有的运放内部电路中。
我的另一篇文章 使用示波器测量共射极放大电路的频率响应 中提到了三极管放大电路 gm 和 增益的关系。
放过它吧
如果将我们的单管电流源的吸入电流调小点,那么在10V 到 2V 之间变化时,即使是用 34401 也几乎测不出变化来:



