【电路笔记】-电流源

电流源

本文为前面文章 电压源的延续，我们将在本文介绍电流源。

与电压源的情况类似，我们将首先介绍理想电流源的概念，并讨论其特殊性和特性。

然而，在实际电路中，无法找到理想的电流源，因为该模型出现了一些悖论和不可能的情况。 我们将这些实际源区分为实际电流源，我们将看看它们与理想模型有什么区别。 两个或多个电流源之间的互连规则也在同一部分中进一步讨论。

最后，将在最后一节详细介绍了相关电流源，它们是电压或电流控制的电流源。

1、概述

1.1 理想电流源

理想电流源是一种无论必须提供给特定输出负载的电压如何都可以提供恒定且稳定的电流值的设备。 理想电流源由双圆或圆内箭头表示，如下图1所示：

图1：提供阻抗Z负载的理想电流源（左）及其相关的电压/电流特性（右）

理想电流源的特性有时表示为 I=f(V)，因为严格数学上讲，图 1 中的表示不是函数而是分布。

1.2 实际电流源

电流源中发生的内部功率损耗可以通过并联的电阻器 ($R_S$) 进行建模。 $I/V$ 特性不再平坦，但（例如对于电压源）使用斜率值 $-1/R_s$ 进行校正，如图 2 所示：

图2：提供阻抗Z负载的理想电流源（左）及其相关的电压/电流特性（右）

我们可以注意到，理想电流源相当于电阻 $R_S$ 趋向于$+\infty$（开路）的真实电流源。

1.3 连接规则

在本小节中，我们强调一个事实，即在电路中集成电流源时必须牢记一些连接规则。

首先，电流源的端子不能置于开路：

图3：电流源开路，禁止连接

开路的电阻为$+\infty$，当源提供不等于0的电流时，电压量趋于$+\infty$，这是不可能的。 实际上，电压将增加直至其击穿值，迫使源极端子之间的空气/真空变得导电。 这种现象通常会导致源或至少其一个组件的损坏。

此外，两个或多个电流源的串联也是被禁止的，即使两个源提供相同的电流值。

图4：电流源串联配置，禁止连接

不允许这种类型的连接的原因是无法预测等效电路：源会添加，还是只有一个可以有效工作？

电路中某一支路的电流只能取一个值，不能有多个电流叠加。

最后，电流源的并联是绝对允许并推荐的，以获得更高的输出电流：

图5：并联配置中的电流源，允许连接

如图 5 中的第二个电路所示，如果其中一个源的方向相反，则也可以减去这些值。

在并联配置中，输出电流是供电过程中涉及的电流源的代数和。

2、依赖电流

在前面的部分中，已经介绍了一个独立的电流源，它们的值是固定的，仅取决于源的设计。

相关电流源的电流值可以通过外部参数进行调整。 相关电流源有两种类型：压控电流源 (VCCS) 和电流控制电流源 (CCCS)。 在电路图中，电流相关源由菱形图案包围的箭头形状（电流方向）表示：

图6：VCCS（左）和 CCCS（右）

2.1 压控电流源

对于这种类型的相关电流源，输入（电压）的性质与输出（电流）不同，链接因子标记为 $\sigma =1/R$，并表示以西门子 ($S$) 或 ${\Omega }^{-1}$ 为单位的电导率。

我们在图 7 中介绍了包含 VCCS 的简单电路的例子，并展示了如何计算其输入。

图 7：VCCS电路

由于电压源 $V_1$ 提供1kΩ/1kΩ 分压器，因此 VCCS 的输入由 $V_{IN}=V1/2=5V$ 给出。由于 VCCS 的增益为 0.2 S，因此依赖源的输出电流为 $I_S=0.2\times V_{IN}=1A$。通过将欧姆定律应用到电阻$R_3$上，可以简单地计算输出电压，我们得到$V_S=I_S\times R_3=200V$。

VCCS 的一个示例是 $MOSFET放大器$(#)，它是一种基于电压效应的晶体管：

图8：VCCS示例，MOSFET提供输出负载RL

作为 VCCS，MOSFET 放大器将称为栅极电压的电压作为输入，并提供称为漏极电流的输出电流。

通过观察MOSFET的特性$I_D=f(V_{DS})$，我们可以确认MOSFET确实是一个电流源：

图9：MOSFET的输出特性

根据命令栅极电压 ($V_{GS}$)，MOSFET 放大器的特性在输出电压 $V_{DS}$ 达到一定值后变得平坦。 饱和区的这种特性对于电流源来说是典型的。

2.2 电流控制电流源

在 CCCS 的情况下，输入和输出具有相同的性质（电流），因此增益是标记为 k 的无量纲量。

我们再次说明集成 CCCS 的类似电路，以阐明如何检索输出量：

图10：CCCS电路

控制CCCS的输入电流直接由欧姆定律给出：$I_{IN}=V_1/(R_1+R_2)=5mA$。 输入电流乘以增益k即可得到输出电流，$I_S=k.I_{IN}=3mA$。 最后，通过对电阻器 $R_3$ 应用欧姆定律再次给出输出电压，$V_S=I_S\times R_3=0.6V$。

CCCS 的示例是基于双极结型晶体管 (BJT) 的放大器，读者可以参考共发射极放大器和共集电极放大器的教程以获得更多详细信息。

图11:针对多个命令基极电流(IB)的集电极支路(C)中的输出特性图

我们再次认识到在特定电压值之后平坦的 $I/V$ 函数，这对于电流源来说是典型的，就像 MOSFET 放大器一样。

3、总结

• 为了概念化电流源，我们首先提出了理想电流源，它不是真实的设备，而是理想的结构。 无论输出负载上的电压值如何，理想电流源都能提供恒定且稳定的输出电流值。 它们通过平坦的 $I/V$ 特性来识别，该特性假定可以提供无限量的功率。
• 然而，为了考虑内部功率损耗，实际电流源的 I/V 特性呈现出轻微的斜率。 该斜率的值由与源并联放置的源电阻的电导率给出。 源电阻实际上并不存在于设备中，但它是解释和简化计算的一种方式。
• 此外，我们已经看到，在设计包含电流源的电路时必须考虑一些连接规则。 不建议将电流源置于开路并串联两个或多个源。 然而，并联关联是可以接受的，因为它是一种可以增加输出电流的有用技术。
• 最后，我们看到一些特殊的电流源可以通过电路的外部量来控制。 它们被称为依赖源，对于电流源，存在两种类型：
  • 压控电流源 (VCCS)
  • 电流控制电流源 (CCCS)
• 电流相关源的典型示例是 MOSFET (VCCS) 和 BJT 晶体管 (CCCS)。