讨论一款经典的使用三极管的恒流源电路

今天我们来讨论一款经典的恒流源电路，两种结构相同的电路如下图所示，其中RL表示负载。

恒流源电路的特点是： 当负载阻值发生变化时，流过其中的电流总是不变的，基本原理是通过实时监控输出电流并实时调整 。在第一种使用三极管的恒流源电路中，三极管的发射结就相当于一个二极管，所以运放OP1形成了深度负反馈路径，如下图所示：

在深度负反馈状态下，OP1反相端电位是跟随同相端的，所以RS两端的电压就等于输入的参考电压V REF ，流过其中的电流I S =V REF /R S 。又由于VT1的发射极电流与集电极电流近似相等，所以流过负载RL的电流I RL （即输出电流）仅近似与V REF 、RS有关，如下图所示：

当然，由于三极管的基极电流不为零，所以IRL与IS之间会有一定的误差，如果要求较高，可以使用使用场效应管替代三极管，工作原理是相同的……等等，好像有点不对呀，场效应管的栅极与源极之间是绝缘的，就相当于一个电容器，如下图所示。也就是说，运放输出与反相端是断开的，电路应该处于开环状态，怎么能够工作呢？老师，你这个电路是有问题的！

虾米？我来分析一下，还是按照以前在《运放应用之半波精密整流电路》视频教程中讲解的老套路，先将OP1当作一个比较器。在初始状态下，VT1是不导通的，OP1反相端通过RS下拉到公共地。在VREF与OP1同相端连接的一瞬间，由于同相端电位大于反相端，OP1的输出电压就有往正电压蹦的冲动，如下图所示：

当栅-源电压VGS大于栅极阈值电压（也称为 开启电压 ）时，VT1开始导通。如果任由VGS继续上升，VT1最终会进入 可变电阻区 （Ohmic Region），此时流过RS与RL中的电流是最大的，其值即为漏极电流I DS ，相应的沟道状态如下图所示：

从转移特性曲线上来看，在VGS不断上升的过程中，场效应管会从夹断区进入 恒流区 ，最终进入 可变电阻区 ，相应的工作点移动示意如下图所示（仅供参考）：

在恒流源电路结构中，当场效应管进入恒流区后，不断攀升的VGS会引起IDS的上升，继而引起RS两端的压降（OP1反相端电位）上升，也就会反过来导致VGS减小，从而使IDS减小。

当OP1反相端电位上升到VREF时，会达到一个平衡状态，此时负载电流IRL就像你刚才说的V REF /R S ，而VT1则也会稳定工作在 恒流区 （也称为放大区或饱和区），相应的沟道状态如下图所示。

在恒流区中，场效应管的IDS仅受控于V GS 。电阻RS也称为电流采样（Current Sense）电阻，通常阻值比较小，它采集负载电流并反馈到OP 1 ，当负载电流上升时会降低V GS ，反过来，当负载电流下降时则提升V GS ，最终使负载电流保持不变。换句话说，OP1其实也处于闭环负反馈状态。同样的分析方式也适用于第一种使用三极管的恒流源电路。