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[运放]

一种恒流源的设计参数计算

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楼主
在看邱关源的电路时,看到P110的1-13习题图b是一个电流源,题目是求等效电阻和开路电压。对于线性非时变电路求电流电压无法就是列公式,计算方程没有什么难度,所以不感兴趣。然而看到这个电路图就想用运放搭出来试下,看下效果如何。下面的图是习题的图(R10为负载):

用运放搭的电路考虑到上图的电阻取的都非常小,根据齐次定理,把各个电阻放大100倍,如下图


上图的电路可以正常工作,然而,这些电阻要满足什么关系才能构成恒流源?或者说我根据自己需求来计算这些电阻值。首先想到的是,既然这个是恒流源所以从输入看进去
戴维南等效电阻肯定要为零,短路电流要为常数。直接按上图计算发现是可以得到电阻的约束关系,但是它们之间的关系太复杂,实际设计不方便。从上面的第一幅图可想到把15V的基准电压源与R1、R7用戴维南等效后减小了一个电阻不是更简单吗。于是电路就成了下面这样

先把U短路计算等效电阻Req=0,整理后如下
R1+R2 = R1*x-R3   ........(1)
再计算短路电流i,并设i/U = k,整理后如下
(R2*x+R3)/((R1+R2)*R3) = k  ........(2)
从(1)式可得R1 = (R2+R3)/(x-1),带入(2)式化简得
(x-1)/R3 = k  ...................(3)
从而可以R1和R2只需要满足一定的比例关系即可。R3的取值确定了x和k的约束关系。R3比较容易确定,可以根据三极管最大功率和检流电阻最大功率合理取值。    k是我们的
需求,例如我们要求输入5V恒流20mA的关系,则k=1/250。R3和k确定后则R1、R2的比例关系也就确定了。另外从电路容易看出R1、R2取大则反馈回路电流小,R1取合理的一个值例如5K,则R2也随之确定。

例如:根据计算R3取50欧,当输入控制电压为5V时,恒流电流为20mA,即k=1/250,带入(3)式计算得到x=1.2。R2取5K,带入(1)式计算R1=25250欧,当然R1的这个值很难买到,但是可以调整R2的值使得R1和R2都尽可能是常用的电阻值。仿真结果如下


今天在网上搜了下发现这个电路有很多人用,一般会在反馈回路加上一个缓冲器做隔离。这样计算会更方便。例如在上面的反馈回路加上缓冲器后公式推导整理得到
x*R1=R1+R2
(x-1)/R3 = k
第一个公式简单了些,上面的例子R2=5K则R1计算得25K。


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沙发
gaohq| | 2017-6-30 23:37 | 只看该作者
最关键的公式推导过程却没有。

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板凳
秉烛良宵|  楼主 | 2017-7-1 00:19 | 只看该作者
本帖最后由 秉烛良宵 于 2017-7-1 00:32 编辑
gaohq 发表于 2017-6-30 23:37
最关键的公式推导过程却没有。

求戴维南等效电阻和短路电流这个就没必要写了吧。这些都放在草稿纸上,整理上来估计意义不大。

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地板
鸟鸟| | 2017-7-2 08:39 | 只看该作者
几个图的序号怎不搞对应些?

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5
秉烛良宵|  楼主 | 2017-7-7 09:02 | 只看该作者
在其他地方看到该电路的推导是用电桥平衡,尝试了下推导过程,确实思路更清晰,公式更明了

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6
gmchen| | 2017-7-7 09:56 | 只看该作者
呵呵,楼主能够从电路理论中一个习题反推出howland电流源电路,不简单,赞一个!

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7
huangyunfa| | 2017-8-29 16:51 | 只看该作者
完全是玩理论去了,不错。。。

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8
EnochMo| | 2017-9-9 21:57 | 只看该作者
Req=0我算Req=无穷大才能对的上上述推论。。。

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