齐纳二极管的稳压特性设计的电路

恒流源是一种保持特定输出电流不变的电源，它不像电压源那样保持恒定的电压输出。其基本电路主要由输入级和输出级组成。输入级提供参考电流，输出级输出所需的恒定电流。恒流源与恒压源相比，其输出电流稳定性更高，常见的恒流源有压控电流源、反馈电流源、场效应晶体管恒流源等。

恒流源具有以下特点：

1) 输出电流受负载(输出电压)的影响小。

2) 输出电流受环境温度影响小。

3)内阻无穷大(这样电流就能全部流到外面)。

4)能够提供恒流驱动。

5)输出精度高。

接下来就介绍四种常用的恒流源电路设计方案：

02.稳压恒流电路

作为硬件研发工程师，对恒流电路的了解应该是必要的。在本文中，我们将介绍三种恒流电路的原理图。

恒流电路是电子电路中一种能够保持输出电流恒定的电路。这种电路对于各种应用都非常有用，例如LED驱动、仪表测量和电池充电等。

第一种

三极管的恒流电路，主要是利用Q2三极管的基极导通电压为0.6~0.7V的特性来实现的。当三极管Q2导通时，三极管Q1的基极电压被拉低，导致三极管Q1截止，因此负载R1不能工作。当Q2三极管导通时，Q1三极管截止，因此负载R1没有工作。负载R1流过的电流等于R6电阻的电流，而R6电阻的电流等于R6电阻两端的0.6~0.7V电压除以R6电阻阻值(固定不变)。因此，即使R1负载的电源端VCC电压是可变的，流过R1负载的电流也能保持恒定不变，达到恒流的电路效果。

第二种

运放的恒流电路主要是利用运放的“电压跟随特性”，即运放的两个输入引脚Pin3与Pin2之间的电压相等的特点来实现的。当在电阻R4上输入稳定的电源电压Vin时，电阻R7两端的电压也为Vin，因此无论外界电路如何变化，流过R7电阻的电流是不变的。

根据欧姆定律，电流等于电压除以电阻，因此流过R7电阻的电流为：Vin / R7，由于R7两端的电压始终为Vin，因此无论外界电路如何变化，流过R7电阻的电流始终保持不变。类似于三极管恒流电路的原理，R2负载的电流也等于R7电阻的电流。因此，即使R2负载的电源为可变电压电源，R2负载的电流也能够保持固定不变，实现恒流的效果。这是由于运放的电压跟随特性使得电阻R7两端的电压始终为Vin，所以流过R7电阻的电流也保持不变，从而保证了恒流的效果。除了使用三极管和运放设计的恒流电路，这里介绍另一种恒流电路设计方案，主要是利用稳压二极管的稳压特性。

稳压二极管是一种具有稳压特性的半导体器件，它能够将输入电压稳定在其规定范围内，并输出恒定的电压。在恒流电路中，我们可以利用稳压二极管的这一特性来实现恒流控制。

第三种

稳压二极管ZD2的恒流电路中，三极管Q4的基极电压被稳压二极管ZD2的工作稳定电压Uzd所限制。所以，电阻R10的电压等于稳压二极管电压Uzd减去三极管基极与发射级的导通压降0.7V，即U=Uzd-0.7保持恒定不变。进而得出，无论电源VCC如何变化，流过电阻R10的电流都是固定不变的，便保证了负载R8的电流保持不变，实现了恒流的效果。

下图是利用齐纳二极管的稳压特性设计的电路：

电路原理：三极管Q1的基极电压受限于稳压二极管的稳定电压Uzd，因此电阻R3的电压等于Uzd减去Q1基极与发射极之间的导通压降0.7V，即，U=Uzd-0.7 保持不变。所以即使VCC电源变化，流过R3的电流也是固定的，即流过R1负载的电流保持不变，达到恒流效果。

这里需要注意的是，根据需要的电流，选择合适的采样电阻，并考虑三极管和稳压二极管的参数。而集电极电压Ucmax是允许施加到集电极结的最大反向电压。使用时不要超过这个最大值，否则集电极结在过大的反向电压作用下会形成强电场，导致集电极反向电流急剧增大，可能造成元件损坏。

下图是利用二极管导通电压为0.6~0.7V的特性设计的二极管恒流电路：

当单片机的GPIO口给高电平时，三极管Q1导通，二极管D1、D2导通(D1、D2的导通压降为0.6~0.7V)，因此电阻R3的电压等于1.4V(D1和D2的压降之和)减去晶体管基极和发射极之间的导通压降0.7V，即U=0.7V保持恒定，因此流过晶体管的电流即使VCC电源变化，R3也是固定的，即流过R1的电流保持不变，达到恒流的效果。

03.晶体管恒流电路

下图是利用Q2基极导通电压为0.6~0.7V的特点设计的晶体管恒流源电路：

当GPIO口给高电平时，三极管Q1为NPN管，会导通，同时Q2也会导通。当Q2导通时，Q1的基极电压被拉低并截止。负载R1不工作，Q2无电流流过。Q2基极电压被下拉至地并截止，而Q1基极被释放并再次导通。如此循环往复，电路中的电流最终稳定在0.7/R3(忽略Q1和Q2的基极电流)，无论电源电压VCC如何变化，电流都保持恒定。另外，R3的阻值应根据所需电流来选择。

04.使用运放的恒流电路

下图是采用运放的恒流源电路，电流可调。该电路采用运算放大器设计，引入了反馈。与晶体管恒流源相比，具有足够的精度和可调性。

注意运算放大器的“虚短”特性。同时，电路的反相输入端连接电阻R4接地。当VIN输入到R2以稳定电源电压时，R4两端的电压也为VIN。因此，无论外部电路如何变化，流过R4的电流保持不变。而负载R1的电流与R4的电流相等，因此即使R1的电源是变压电源，其电流也保持固定，达到恒流的效果。

这里晶体管Q1是NPN型的。使用时根据实际电压、电流要求选择合适的。如果功率较大，必须考虑散热要求。另外，它的发射极电流约等于集电极电流，但实际上发射极电流还包括基极电流。可见，当运放输出级采用晶体管时，输出电流会产生基极电流分量的误差。如果此时不能满足电路精度要求，则使用MOSFET更好。

分析与上面相同。MOSFET管是压控器件，栅极所需电流很小。由于Iout和Is非常接近，与晶体管相比，电流精度得到提高。另外，使用运放的恒流源电路虽然有明显的优点，但也有缺点。例如运放的VIN电源需要用户额外提供。

05.LDO电路

下图是利用LDO输入电流等于输出电流的特性设计的恒流源电路。

通过LDO输入电流等于输出电流的特性，流过负载R1的电流等于流过电阻R2的电流，电流大小为Iout=V/R2，其中V(3.3V )是LDO的稳压值。此外，可变电源必须满足LDO的输入电压范围。