该恒定电流吸收器实际上如何工作？

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我实现了一个恒定电流源，并且效果很好，但我只是希望尝试多一点！这是有问题的电路：

我尝试在网上进行一些搜索，发现很难在该电路上找到任何理论性的东西来解释一切的实际情况。我确实发现，仅通过使用就能找到流过晶体管的电流，这比我要多得多在我开始寻找之前就知道了。但是，现在我想知道实际情况，以及即使负载/电压变化，它如何仍保持恒定的电流输出。

I_{E} = \frac{V_{set}}{R_{set}}

$I_{E}=\frac{V_{\text{set}}}{R_{\text{set}}}$

如果有人能够对此有所了解，我将不胜感激。

— 先生
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好吧，首先尝试移除晶体管，并将负载直接连接到运算放大器。使用您的标准运算放大器规则进行分析。传输器被添加为增强器，以允许更多电流。（该电路存在beta错误，如果您想精确控制，通常会使用FET代替BJT。）

— George Herold 2014年

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该电路采用负反馈，并利用运算放大器的很高增益。由于其非常高的增益，运算放大器将尝试使其同相和反相输入保持在相同的电压。然后根据欧姆定律 $V_{\text{set}}$

I_{set} = \frac{V_{set}}{R_{set}}

$I_{\text{set}} = \frac{V_{\text{set}}}{R_{\text{set}}}$

负反馈会导致运算放大器调整晶体管的基极电压，以使即使在负载变化的情况下也保持恒定。如果变化的负载导致暂时增加，则运算放大器的反相输入端的电压将暂时上升至同相输入端之上。这将导致运算放大器的输出降低，从而降低晶体管的，从而降低其。 $I_{\text{set}}$ $I_{\text{set}}$ $V_{BE}$ $I_{C} \approx I_{\text{set}}$

同样，如果变化的负载导致暂时减小，则运算放大器的反相输入端的电压将暂时降至同相输入端以下。这导致运算放大器输出增加，从而增加了晶体管的和。 $I_{\text{set}}$ $V_{BE}$ $I_{C}$

— 空值
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运算放大器充当单位增益缓冲器，尽管可能并不明显：

运算放大器的规则是，输出必须做任何事情来保持两个输入相等，前提是它当然不会削波（进入自己的电源并在此处停下来）。

该晶体管用作发射极跟随器，其中发射极电压跟随基极电压减去从其PN结的二极管压降。

将这两部分放在一起，您会看到Rset顶部的电压与Vset相同。已知电阻两端的已知电压等于通过该电阻的已知电流。在大多数晶体管中，基极对发射极电流的贡献可忽略不计，因此无论负载电压或电阻如何，您流经负载的电流几乎相同。但是，如果您将其用于认真的设计，则可以通过特定零件来验证这种可忽略性。

— 亚伦
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它实际上并不是一个统一的增益缓冲器。考虑：由于运算放大器输出上的电压必须高于运算放大器输入上的电压，才能将晶体管的基极驱动到比运算放大器输入上的电压高的Vbe压降，所以它的增益必须大于一，是吗？

— EM Fields

@EMFields：它确实具有恒定的偏移量，但电压增益仍为1。在内部，运算放大器具有巨大的增益，但这仅是用于最大程度地减少参考和反馈之间的误差。整个电路具有单位增益，加上在晶体管基极的偏移。

— AaronD

如果Vset为6伏，并且运算放大器输出上的电压达到6.7伏，以将Rset的顶部驱动为6伏，那么运算放大器的电压增益将为

，大于1。

A v = \frac{V o u t}{V i n} = \frac{6.7 V}{6 V} = 1.117

$Av =\frac{Vout}{Vin} = \frac {6.7V}{6V} = \text{ 1.117}$

— EM Fields

@EMFields：增益是两点计算。如果您假设另一点的Vout = Vin = 0V，那您将是对的。但这不是在这里。再次以{Vout，Vin} = {0.7，0.0} V为一个点，并以{Vout，Vin} = {6.7，6.0} V为另一点来运行数学运算。

— AaronD '16

废话。增益的确是两点计算，但是这两点只是输出（被除数）和输入（除数），增益是商。对于单位增益缓冲器，商总是1，在您的情况下，这是不正确的，因为您已在反馈路径中插入了基极-发射极结，导致输出电压升至高于输入电压，导致商大于1。底线？您所谓的单位增益缓冲区不是。需要更多证据吗？在浏览器中输入“单位增益缓冲区”，然后看看会发生什么。

— EM Fields

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我想将其可视化的方式是将晶体管视为可变电阻，运算放大器会自动调节该可变电阻，以使运算放大器的-输入端的电压等于其+输入端的电压。

这样，由于串联电路中的电流到处都是相同的，因此负载，晶体管CE结和Rset中的电流必须相同，并且如果Rset顶部的电压从未发生变化，因为运算放大器迫使它等于到Vset，则其电流永远不变，通过负载的电流也不变。

— 电磁场
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另一种方法是将运算放大器建模为较大的有限增益和采用极限。

这样得出运算放大器的输出为，由此得出。除以并让得到期望的结果， $K(v_\text{set}-I_\text{load} R_\text{set})$ $K(V_\text{set}-I_\text{load} R_\text{set}) = I_\text{load} R_\text{set} + 0.7$ $K$ $K \to \infty$ 。 $I_\text{load} = { V_\text{set} \over R_\text{set} }$

— 铜帽
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另一种简单但准确的方法是使用反馈理论：

运算放大器输出只是运算放大器的增益（A）乘以输入电压之间的差。如果我们将电压称为电阻器（因为我们尚不知道它是什么），那么运算放大器的输出就是： $V_x$

V_{o} = A \cdot (V_{set} - V_{x})

$V_o = A \cdot (V_{\text{set}}-V_x)$

现在，我们知道当晶体管导通时，基极-发射极结两端有一个恒定电压，因此我们可以这样写： $V_{\text{be}}$

V_{x} = V_{o} - V_{be}

$V_x = V_o - V_{\text{be}}$

将其代入方程，我们得到： $V_o$

V_{o} = A \cdot (V_{set} - (V_{o} - V_{be})) = A \cdot (V_{set} + V_{be}) - A \cdot V_{o}

$V_o = A \cdot (V_{\text{set}} - (V_o - V_{\text{be}})) = A \cdot (V_{\text{set}} + V_{\text{be}}) - A \cdot V_o$

要么：

(A + 1) \cdot V_{o} = A \cdot (V_{set} + V_{be})

$(A + 1) \cdot V_o = A \cdot (V_{\text{set}} + V_{\text{be}})$

因此，重新排列我们得到：

V_{o} = \frac{A \cdot (V_{set} + V_{be})}{A + 1}

$V_o = \frac{A \cdot (V_{\text{set}} + V_{\text{be}})}{A+1}$

现在，我们知道对于运放而言，A非常大，因此，随着A趋于无穷大，我们可以看到趋向于统一： $\frac{A}{A+1}$

\frac{A}{A + 1} \to 1

$\frac{A}{A+1} \to 1$

从而：

V_{o} = V_{set} + V_{be}

$V_o=V_{\text{set}}+V_{\text{be}}$

但是，我们在上面写道：

V_{x} = V_{o} - V_{be}

$V_x=V_o-V_{\text{be}}$

用该表达式替换上面的，我们得到： $V_o$

V_{x} = (V_{set} + V_{b e}) - V_{be} $ o r $ V_{x} = V_{set}

$V_x=(V_{\text{set}}+V_{be})-V_{\text{be}}\$ or \$V_x=V_{\text{set}}$

显然，，您已经知道。 $I_{\text{set}}=\frac{V_{\text{set}}}{R_{\text{set}}}$

— 斯科特·安德鲁斯
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我的回答可能超出您的议价范围，但是如果您感到好奇，那么您会感谢我为此付出的努力。

典型的运算放大器的开环增益至少为100,000（非常高）。其输出利用了其输入的差（通过它的增益，并将它们乘以）。。在这里， =非反相输入和 =反相输入。假设运算放大器的输出仅为几伏，那么输入端的差分电压为输出的1 / 100,000。与相比，该差异可能是几微伏 $V_{+} - V_{-}$ $A_{v}$ $V_{o} = A_{v} * ( V_{+} - V_{-} )$ $V_{+}$ $V_{-}$ $V_{o}$ 差很多很多（这个电压差在所有意图和目的都是大约零伏）。

在闭环结构中，像这样的，被认为是大致相同。由于，并且由于输入电压差为“0”，。被连接到顶部和双极晶体管的发射极，从而也出现跨越。因此， $V_{+}$ $V_{-}$ $V_{+} = V_{set}$ $V_{-} = V_{set}$ $V_{-}$ $R_{set}$ $V_{set}$ $R_{set}$ 控制伊塞特的通过量值，并与电路的负反馈装置，运算放大器提供任何的基极电流通过晶体管需要维持在其发射极。 $V_{set}$ $R_{set}$ $V_{set}$

晶体管本身具有增益（典型增益= 对于功率晶体管，）。假设。 ${ I_{collector} \over I_{base} } > 40$ $I_{emitter} \sim I_{collector}$

注意，由运算放大器提供的基极电流来自于运算放大器的+ V电源（在示意图中未示出），而不是其中“看到”的非反相输入的非常高的阻抗（到（+）或（-）运算放大器输入非常高，通常为兆欧或更高。需求不会有太大的驱动能力，因为它的负载，在输入，本质上要求无显著电流。如果（上面的集电极电阻）变化或集电极电阻值变化， $V_{set}$ $Z_{in}$ $V_{set}$ $V_{+}$ $V_{supply}$ 保持不变提供和不电路的工作极限之外去。 $I_{load}$ $V_{supply}$ $R_{collector}$

如考虑发生了什么减少。反馈将导致运算放大器的输出来提高晶体管的基极电流，以便它进行更并且降低其保持整个相同的电压降保持常数。在某些时候，晶体管将完全导通（饱和度是的最佳饱和状态。 $V_{supply}$ $V_{CE}$ $R_{collector}$ $I_{load}$ $V_{CE(on)} ~ 0.3V$ ）。在进一步下降将导致减小的尽管负反馈。不再有足够电压保持常数和电路不再发挥预期的作用。如果增加时，运算放大器的驱动器更小的基极电流成晶体管，其导通更小，提高其 $V_{supply}$ $I_{load}$ $V_{supply}$ $I_{load}$ $V_{supply}$ $V_{CE}$ ，保持在同样的电压降保持常数。的点，将达到超出晶体管的评级或它的额定功率（可以是恒定的，但 X 增大时），它会失败。如果 $R_{collector}$ $I_{load}$ $V_{CE}$ $I_{load}$ $V_{CE}$ $I_{load}$ 时变化在限定之内？如果阻力增大，运算放大器将使晶体管行为多，降低其，以增加跨越的电压降保持常数。最终，晶体管完全导通（饱和）并且为 $R_{collector}$ $V_{supply}$ $R_{collector}$ $V_{CE}$ $R_{collector}$ $I_{load}$ 电阻进一步上升，开始降低，因为电路不能继续以增加跨越的电压降（电压不足以达到此目的）。 $R_{collector}$ $I_{load}$ $R_{collector}$ $V_{supply}$

如果电阻减小到零，运算放大器会降低基极电流和晶体管将进行较少降低整个电压降保持常数，其将增加。晶体管将消耗更多功率，因为这将有穿过它（更大的电压降 $R_{collector}$ $R_{collector}$ $I_{load}$ $V_{CE}$ 如果则为。如果无法处理更高的功率，它将失败。导通较少的晶体管耗散更多的功率似乎很奇怪，但之所以如此，是因为它工作在Ic（通常为常数）和均显着且其乘积（由晶体管以热量形式耗散的功率）的有源区内工作。）远高于零。全导通（饱和）晶体管的功耗较低，因为其 $V_{supply} - V_{set}$ $R_{collector} = 0 ohm$ $V_{CE}$ 对于相同的恒定电流来说非常低。 $V_{CE(on)}$

总之，该电路作为恒定电流吸收器，但只有内的某些操作，和晶体管功率极限。在设计过程中还必须考虑这些操作限制。 $V_{supply}$ $R_{collector}$

— 马特在加拿大
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如果将文本分成几段，此答案将会有所改善。

— Hlovdal 2015年