在电子电路的设计领域，压控电流源电路扮演着至关重要的角色。压控电流源电路，顾名思义，是指输入端的少量电压能够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应用广泛，常被用于驱动如 BJT、SCR 等电流控制器件。以 BJT 为例，流经晶体管基极的电流控制着晶体管闭合的程度，而压控电流源电路就能为基极提供所需电流。此外，恒流电路也可用于驱动电流控制设备，不过本文将重点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被称为电流伺服，其显著特点是电路结构简单，所需元件数量极少。

1. 运算放大器原理

运算放大器是一种多功能的电子元件，它不仅能够放大信号，还能进行各类数学运算。在众多应用场景中，它可作为加法放大器、差分放大器、仪表放大器、运算放大器积分器等。如图 1 所示，单个运算放大器有两个输入和一个输出，两个输入分别标有 “+” 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

电压跟随器电路是一种特殊的放大电路，其输出连接在负端子上，从而成为 1x 增益放大器。这意味着输入端的电压能够直接传输到输出端。运算放大器的特性是将两个输入的微分设为 0，当输出连接在输入端子上时，它会产生与另一个输入端子上提供的电压相同的电压。例如，若在输入端提供 5V 电压，当放大器输出连接到负端子时，输出也将为 5V，即 5V - 5V = 0，这一特性适用于放大器的所有负反馈操作。

图 2 电压跟随器电路图

3. 设计压控电流源

在设计压控电流源时，负反馈并非直接来自运算放大器的输出，而是来自连接在 N 沟道 MOSFET 两端的分流电阻器，运算放大器的输出则连接在 Mosfet 门上。假设在运算放大器的正输入端提供 1V 输入，运算放大器会努力使负反馈路径的电压达到 1V，它会打开 MOSFET 以在负端子上获得 1V。根据欧姆定律 V = IR，若 1A 电流流过 1 欧姆电阻，就会产生 1V 压降，运算放大器会利用这个压降来获得所需的 1V 反馈。此时，若连接一个需要电流控制才能运行的负载，就可以将负载放置在合适的位置。

图 3 负反馈电路

图 4 电流控制的负载电路

图 5 电压控制电流源设计电路图

4. 构建电路

构建这个压控电流源电路需要以下元件：

• 运算放大器：LM358 是一个不错的选择，它价格便宜且容易获取。虽然它在一个封装中有两个运算放大器通道，但本设计仅需使用一个。
  
  图 6 LM358 引脚图
• N 沟道 MOSFET：这里选用了 IRF540N，不过其他 MOSFET 也可使用。在选择时，要确保 MOSFET 封装可以连接额外的散热器（如果需要），并且要根据实际需求仔细考虑其规格。
  
  图 7 IRF540N 引脚排列图
• 分流电阻：本文选用 1 欧姆 2 瓦的电阻器。此外，还需要另外两个电阻器，一个用于 MOSFET 的栅极电阻，另一个作为反馈电阻，这两个电阻可减少负载效应，且它们之间的压降可忽略不计。
• 电源：可使用台式电源，它有两个可用通道。一个通道为电路提供电源，另一个通道提供可变电压以控制电路的源电流。由于控制电压由外部源施加，所以两个通道需处于相同电位，可将第二通道的接地端连接在通道接地端的两端。当然，也可以使用任何类型的电位器从可变分压器中提供控制电压，这种情况下，单个电源就足够了。

5. 压控电流源工作

为了测试该电路，将其构建在面包板上，且电路中未连接负载，使其接近理想的 0 欧姆（短路），以测试电流控制操作。
当输入电压从 0.1V 变为 0.5V 时，电流变化会反映在另一个通道中。如图 9 所示，当输入电压为 0.4V 时，电路在 9V 输出下消耗 400mA 的电流。该电路使用 9V 电源供电。

根据欧姆定律，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，即负载的电流 = 电压降 / 分流电阻。由于压降与运算放大器两端的输入电压相同，所以当输入电压发生变化时，通过负载的电流源也会相应变化，即提供给负载的电流 = 输入电压 / 分流电阻。

总结

本设计虽然实现了基本的压控电流源功能，但仍有改进的空间：

• 散热问题：增加电阻瓦数可以改善分流电阻两端的散热情况。选择分流电阻器的瓦数时，可以使用公式 Rw = I2R，其中 Rw 是电阻器瓦数，I 是源电流，R 是分流电阻器的值。
• 输入电压放大：许多运算放大器 IC 在单个封装中具有两个运算放大器，如 LM358。若输入电压过低，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。
• 热和效率问题：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。