关于镜像电流源原理及其应用电路研究

孙清文 闵静 吴经纬 程俊

摘要：电流源属于基本电路单元之一，不过由于人们对其的简介和研究的内容很少，所以给应用带来了很多问题和困难。为解决上述问题和困难，于是本文就对镜像电流源的原理以及应用电路展开了深入的研究，按照镜像电流源原理及运算放大器的虚断和虚短属性模拟出了很多应用电路，并得到了很好的成效，给应用带来了良好的参照价值。

关键词：镜像电流源;应用电路

虽然电流源的运用非常广泛，属于一项基本电路单元，但是其研究的内容很少，就给运用产生了很多困难，所以本文主要以镜像电流源为主，研究了其原理，并借助运算放大器虚断和虚短的特性，研究出了许多由运算放大器形成的电流源应用电路，经过验证可知这些应用电路均有着良好的作用，其中最大的优点就是该电流源的电路负载P端不仅能够接地，而且还能浮地，解决了传统电流源的电路负载仅可接地或者仅可浮地的情况，优化后的电路应用效果非常好，极其灵活，不仅能够用于直流电流源当中，而且还能用于交流电流源当中，同时既能用为小功率信號电流源使用，又能用为大功率电流源使用，应用极为方便。

一、镜像电流源原理

镜像电流源原理详见图1。其中，晶体管T1和T2的参数都一样，所以β1=β2，ICEO1=ICEO2。因为晶体管的基-射极间电压也都一样，所以IE1=I E2，IC1=IC2。如果β很大时，基极电流IB就能不计，因此T2的集电极电流IC2就约为基准电流IREF，可得到如下的公式：

IC2≈IREF=（VCC-VBE）/R≈VCC/R

通过公式可知，如果R确定以后，IREF就可确定，这样IC2就能通过IREF得出，为此IC2就为IREF的镜像，便叫做镜像电流源。

二、放大器形成的镜像电流源原理

在此将镜像电流源原理及运算放大器结合，借助运算放大器的虚断与虚短特点，研究出了很多种放大器形成的镜像电流源，其中可分为两种类型，一种是电压控制镜像电流源，另一种是电流控制镜像电流源。

（一）电压控制镜像电流源

通过运算放大器的属性能够清楚了解运算放大器的同相端和反相端的电压一样，电流都是0，所以放大器的反相端和输出端间的电压Ui与同相端和输出端间的电压Um一样，电阻R0的电流仅流于负载，所以其和负载输出电流一样，就能得到如下的公式：

I0=Um/R0=Ui/R0

其中，Ui表示输入电压;Um表示镜像电压。通过上式就能发现，输出电流和镜像电压具有正比例关系。当R0固定，输入电压Ui确定时，镜像电压Um就能得出，从而就能得到输出电流I0。

（二）电流控制镜像电流源

通过运算放大器的属性能够清楚知道R0的电压与Ri的电压一样，电阻R0的电流与负载的输出电流I0一样，再通过镜像电压公式Um=IiRi，就能得出输出电流的公式，即

I0=Um/R0=（Ri/R0）·Ii

其中，Ii表示输入电流。

通过上述公式可知，输出电流和输入电流呈正比例关系，当电阻R0和Ri可知时，就能算出输入电流，进而就能得到输出电流I0。通过研究能够发现，不管是电压控制镜像电流源，还是电流控制镜像电流源，输出电流都会和输入电压及输入电流具有线性联系，和负载阻抗、负载接地及浮地没有关系。

三、误差研究

一般电流源的放大器会在共模输入情况中运行，由于放大器的开环放大倍数不是无穷大的，所以电流源的输出阻抗就不是无穷大，这样输出电流肯定具有误差。例如电压控制镜像电流源，能够得到如下公式：u+=ZLI0;U0=u-+（u++u-）/2CMRR+Ui;U0=A（u++u-）

其中，A表示运算放大器的开环放大倍数;CMRR表示共模抑制比;（u++u-）/2CMRR表示折合到放大器时，输入端共模误差电压。经过简化可得出：

I0=Ui/R0（1+α）

因此，想要增大恒流源的精确性，就应当运用α小的电阻。

四、应用电路

（一）电压互感器输入V-I变换电路

输入电压用Ui表示，电压互感器变比用η表示，借助原理能够清楚：互感器二次侧电压Ui/η和镜像电压Um一样，所以Um=Ui/η。在应用过程中，需要特别注意电压互感器的原边同名端和副边同名端方向，保证输出电流的方向准确。

（二）电流互感器输入I-I变换电路

输入电流用Z表示，电流互感器变比用η表示，借助原理就能够清楚：互感器二次侧取样电阻Ri的电压Ii*Ri/η和镜像电压Um相等，因此Um=IiRi/η，就能得到输出电流I0=Um/R=IiRi/ηR0。在应用过程中需要特别注意电流互感器的原边同名端和副边同名端方向，保证输出电流的方向准确。

（三）双电源供电电流源

如果电流源的负载阻抗很高或者输出电流大于运算放大器的负载承受情况时，则电流源就应当增大供电的电压或者提升输出功率，此时就可借助双电源供电电流源实现，不仅运行非常稳定，而且应用电路比较简便，仅借助放大器形成的镜像电流源原理就能将功率管的发射极接于放大器电源地处，如此加于电阻两端的镜像电压就与输入电压一样，因此该电流源的输出范围就可通过功率管供电大小和最大电流输出性能确定。应用电路只添加了一个功率管，就可输出直流电流，非常的方便。如果在运算放大器的后面添加一个甲乙类的互补对称电路，就能显著增大电路的输出效果，而且输出功率不会被放大器的输出性能影响，只与电源大小以及功率管电流输出情况有关。

（四）一组电源供电电流源电路

因为镜像电压是变化的，所以应用输入隔离以及双电源供电形式能够很好的达到此效果，同时经过电路改造，可实现一组电源供电电流源电路。不过由于此电路会被高频振荡所影响，所以就需要于输出负载附近应用滤波电容，从而显著去除高频振荡情况。因为此镜像电流源电路带有电容，所以此电路仅能够用于直流电流源当中。

五、需要特别注意的事项

因为此运算放大器是运行于有共模电压的情况中，所以需要使用共模抑制比较大，并且开环放大倍数较高的运算放大器。对于差动运算放大器来说，其应当与电阻良好匹配，不然就会破坏线性度。对于取样电阻风来说，其应该使用温度系数较低的精密电阻，这样能够显著增强电流源的准确性及安全性。

六、总结

通过上述内容可知，人们对电流源的研究及简介非常少，而电流源的应用非常广泛，这便给使用带来了很大的问题，为避免问题变得严重，本文便对镜像电流源的原理以及应用电路进行了探究，通过对镜像电流源原理的深入探索，对运算放大器虚断和虚短属性的了解，得到了良好的应用电路，给电流源应用提供了很大的帮助。另外，由于运算放大器形成的镜像电流源的应用电路极为简便，具有良好的线性度，所以能够满足很多应用情况以及环境，非常值得推广和运用，所以应加大研究和介绍的力度。

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