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，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第一通道接地端的两端。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 是最大源电流，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。