电路创意/最简单的晶体管电流源
电路创意：使用双极结型晶体管 (BJT) 为电路分支中的电流流动创建一个“瓶颈”。
我们从一般性问题开始： “什么是恒流源？我们希望它做什么？电流源如何工作？我们如何判断某个器件是电流源？我们如何制作电流源？对于这样一个自称的术语，我们需要一个“定义”吗？” 显然不需要；我们可以认为恒流源的概念是理所当然的。 不过，让我们提一下，它是一个产生电流的（电子）器件。 对于这样一个简单的器件，我们希望它具有简单的行为。 我们非常希望它产生恒定的电流，无论我们施加什么负载。
你从基本的电学课程中学到了什么关于电流源的知识？ 这是我们熟知的电流源符号（图 1）。 如何猜测它是电流源？ 如果有人给我们一个带有两个引线的（黑色）盒子，并说它是一个电流源，我们如何说服自己它确实是一个电流源？ 让我们进行一些实验。 例如，如果我们将两个引线连接起来（短路 - 图中情况 1），会发生什么？ 对电流源来说危险吗（与电压源相比）？ 事实上，如果我们短路电流源的两个引线，对它来说没有危险。 因为电流源是为特定电流而设计的，所以它会保持（限制）电流，从而保护自身。
那么，也许相反的情况 - 开路（图中情况 3） - 会很危险，因为电流源将尝试通过与之前相同的电流。 在这种情况下，电流源被误导了： 它没有看到开路； 它“认为”那里连接着东西。 它只是“看到”没有电流流过，并提高其内部电压，以“希望”能够通过有害的“东西”。 当然，电流源无法通过开路传递任何电流，并达到最终（合规）电压； 发生饱和甚至击穿。 因此，合规电压表示电流源在试图产生所需电流时所能达到的最大电压。
我们如何制作最简单的电流源？ 众所周知，由于一位名叫欧姆的智者，获得电流的唯一方法是在某个电阻上施加某个电压。 最简单的方法是将一个电压源与一个电阻串联起来。
例如，取一个标准的 9 V 电池和一个 9 kΩ 电阻，将它们串联起来 - 就这样，你得到了一个 1 mA 电流源（你可以用电流表测量它）。
好的，我们都知道欧姆定律是一个数学方程... 但背后的逻辑是什么？ 我们知道事实是，电压在电阻上产生电流，但是为什么？ 电压实际上是一种真正的力； 另一种可能的解释是将电压看作某种势能 - 就像一个聪明人有学习很多东西的潜能。 为了使这种潜力变成真实的东西，让这个聪明人沿着个人成长的道路前进（这种运动将是一种电流），它必须在一些障碍物上发挥作用 - 考试、任务等（这将相当于电阻）。 另一个类比是汽车发动机推动汽车前进的潜力 - 一定要有一些东西可以发挥作用 - 例如路面。
通过使用理想电流负载来保持恒定电流
无源电压到电流转换器（电压引起电流）
但哲学到此为止... 现在我们有了电流源，让我们用它来给一些东西供电 - 让我们连接一个负载（它可以是灯泡、电阻器，任何消耗电流的东西）。 但是现在出现了一个问题... 电流表显示的电流比我们预期的少。 我们可以从两个角度看待这个问题。
...从电阻的角度来看... 为什么 - 因为负载在电路中引入了一些新的电阻，从而提高了它的等效电阻，降低了电流（注意电压源保持恒定）。 如果我们施加更高的负载，我们会看到电流会进一步下降： IOUT = VIN/(R + RL)。
...从电压的角度来看。 实际负载引入了一些电压降 VL，这会影响激励电压 VIN。 现在，并非所有的输入电压都施加在电流设定电阻 R 上，而只是 VIN - VL 的电压差。 换句话说，这里电压差 VIN - VL 决定了电流 IOUT，而不是电压 VIN。 结果，电流减小： IOUT = (VIN - VL)/R。
看来我们简单的电流源无法应对各种负载，也无法将电流保持在恒定速率。 这就是为什么这类电路被称为无源 - 它们不会对变化和干扰做出反应。 所以，我们自己制作的简单电流源是无源的（它就像一个不愿努力的工人，无论有多少工作要做，他都不会改变自己的努力）。 嗯，这个无源电路是不完美的； 它无法抵挡负载的“干预”，特别是当负载变化时。 它是一个静态的、固定的、不可适应的电路...； 它需要一些改进... 然后我们该怎么办？
通过降低负载来保持恒定电流
无源电压到电流转换器（电压控制电流源）
运算放大器电路构建器（转到此交互式 Flash 动画的第 2 阶段）
很明显，我们必须自己揭露真相；那么让我们开始推理。问题出现在我们连接负载时，更糟糕的是，如果我们开始改变它的电阻。请注意，负载不仅可以是稳定或变化的电阻器；它可能是一个充电电容器，一个二极管（普通二极管，齐纳二极管，LED，基极-发射极结等）甚至一个电压源（例如，可充电电池）... 负载的具体是什么并不重要；重要的是，在负载上会出现电压降，而这个电压降会使事情变得混乱。
如果我们环顾四周，我们会发现这个世界上大多数事物都是可变的，适应性强的，动态的... 根据这个观察，我们必须使我们的电流源以某种方式对负载的“干预”做出反应，以抵抗其降低电流的企图。这意味着电流源内部的某些东西必须改变，以补偿负载上令人不安的电压降。在这个简单的电路中，什么可以改变呢？
在我们对电流的定义中，有两个因素 - 电压和电阻。因此，如果我们想使我们的电流源对负载变化做出反应，我们必须根据负载电阻的变化，动态地改变这两个因素中的一个。
一个可能的解决方案是改变内部电压 - 当负载增加时，内部电压也会升高。我们可以称之为具有跟随内部电压的动态电流源。
这似乎是一个好主意，但不幸的是 - 并非如此。它实际上是一种自举 - 这个词来自关于男爵芒豪森的故事，他曾经陷入流沙中，并用自己的靴子把自己拉了起来。
这种解决方案在补偿负载变化方面的能力非常有限，因为变化的电源电压很快就会达到其最大值。
另一个可能的解决方案是改变内部电阻。这次，当负载电阻增加时，内部电阻 R 必须减小，保持 RL+Rint 不变，从而使电流保持恒定。因此，电阻R被称为电流稳定电阻。
当然，这种方法在补偿负载电阻变化方面的能力也有限，因为减小的内部电阻在某个时刻将达到零。但是，它更容易实现（玩弄电阻比玩弄电压更容易）。
我们将继续我们的探索之旅，到达最简单的晶体管电流源，我们将使用第二种方法。我们将使用什么元件来实现动态内部电阻解决方案？正如这个主题的名称所暗示的那样，它将是晶体管。让我们谈谈它的行为，以了解为什么...
进入晶体管 - 被认为是 20 世纪最伟大的发明之一。一种微小的器件，它彻底改变了世界，现在主导着生活的各个领域 - 它可以在我们周围的每个电子设备中找到，因为它现代电子电路的基本组成部分。
好的，晶体管很酷... 但它究竟是什么？它的名字来自传输电阻 - 晶体管... 这既不能说明它的结构，也不能说明它的目的。为了简短起见，晶体管是一种包含两个 PN 结的半导体器件，具有三个端子。让我们更多地谈谈它的行为，因为它更有趣 ;)
它可以完成一个迷人的技巧 -放大信号。至少他们是这样称呼的，尽管它根本不是放大。实际上，晶体管允许我们用较小的电流流（输入）控制更大的电流流（输出）。它更像是利用额外的功率创建输入信号的缩放副本，而不是放大它。把它想象成一个电流阀 - 阀门是用来控制流体流动的装置，在我们的例子中，电流相当于流体。
晶体管也用于电子控制开关 - 就像 ON/OFF 按钮一样，通过电子方式操作。这个强大的理念是当今数字电路的核心。
对于使用液压类比对这种晶体管行为的精彩且详细的解释，请查看参考资料/另请参见部分。
晶体管有很多类型，其中最流行的是MOSFET和BJT，但列表中还包括很多其他类型（基本上是这两种最流行类型的衍生品）。我们将使用BJT，它代表双极结型晶体管。“双极”表示电子和空穴都参与了晶体管的操作。
关于这个奇妙的发明，还有很多可以说的，但这篇幅过长，超出了本文的范围。
正如我们在电路理念的其他一些文章中所看到的，液压类比是一个强大且直观的概念，用于解释电路。
电流流（因此得名“流”）可以用流体的流动来表示。通常，当我们想要一些流体以恒定速率流动时（例如，用软管浇灌花园时），我们会对流体路径施加一个约束，创建一个瓶颈。
一个瓶颈（考虑一下这个名字）是吞吐量最低的点，因此决定了最大流量容量。瓶颈不仅存在于液压系统中，而且存在于任何可以想象的系统中。在液压方面，用于创建瓶颈的最简单的可变元件是阀门。
在电气世界中，与阀门最接近的类比是可变电阻器 - 也称为电位器。
好吧，晶体管也可以表现为可变电阻器，但与机械控制的电位器不同，它是电子控制的 - 输出集电极-发射极 (C-E) 电流可以通过输入基极电流或基极电压来控制，具体取决于我们更喜欢哪种方式。所以这里就有了简单的主意 - 如果我们施加一个恒定的基极电压，我们将设置一个恒定的 C-E 电流。当 C-E 电压升高时（例如，由于负载电阻 Rl 上的电压降低），C-E 电阻也会升高（记住我们使用恒定的基极电压将 C-E 电流设置为恒定）。所以我们得到了什么 - 一个动态变化的电阻，它保持恒定的电流流。简而言之 - 电流稳定电阻。这正是我们为了制作恒流源所需要的。
一个漂亮而清晰的方案，待添加
这种行为在 IV 图上显示。他们称之为输出特性，因为它表示晶体管输出部分发生的进程，这些进程取决于电流或电压的变化。我们可以用厚厚的半导体教科书中找到的一些难看的复杂公式来解释它，但我们更愿意用一种更友好的方式来思考它。
想象一下，它是一个机制，I 线充当“固定导轨”（代表电流，它似乎是一个常数），在“导轨”上，两个“枢轴” - Rl 和 Rt 线 - 的交点A滑动。当我们降低负载电阻（即Rl）时，点 A 沿Rl 线向下滑动，沿Rt 线向上滑动，并在I 线上向右滑动。这意味着晶体管电阻Rt增加，因此电路的总电阻保持不变，因此电流流保持不变。当我们做相反的事情时 - 你猜怎么着 - 正好发生相反的事情 ;)
一个漂亮而清晰的方案，待添加
正如俗话所说，三个臭皮匠顶个诸葛亮。三个以上就更厉害了 ;)。重点是，生活中伟大的事物，无论多么简单，往往是由团队合作而不是个人努力产生的。
我们的解决方案也是如此。让我们介绍一下我们的团队...
在中间，被蓝线包围的是电路的“老板” - 可变负载电阻 Rl。正是他领导着这场音乐会，整个电路都是为了他而建造的 - 为了满足他对恒定电流的需求和愿望。老板下面那个没有名字的电阻器是他的“保镖” - 以防某个好奇的人将“老板电阻器”的滑块移动到最末端，并试图通过晶体管短路电源。
蓝色线外的所有部分都是 BJT 电流源本身 - 一整个团队的元件在为“老板”工作。电路中有一个“英雄” - 工作主力 - 强大的双极结型晶体管 (BJT)，它承担了所有脏活累活（苦力：），以保持恒定电流。这是我们的*瓶颈*点，它决定了可以通过多少电流。与它的基极相连的是它的“经理”（现代英雄需要有经理），可变电阻（电位器）P，它本质上是一个可变电压分配器，通过基极电压 Vb，它告诉晶体管该怎么做。在这种情况下 - 使用恒定的基极电压，经理告诉它以恒定的速率保持电流流动。这个“经理”还有一个“保镖” - Rb，它保护电源免受因有人玩弄电位器 P 而导致的短路。
然后是我们的眼睛 - 伏特计 V2，用于观察负载电阻（老板）上的电压降，另一个伏特计 V1，观察晶体管集电极-发射极结上的电压降，以及电流表，它让我们偷偷地观察电流流动。
最后，但并非最不重要的是 - 电源 VCC，它使整个电路活起来：)
电路能通过考试吗？
[edit | edit source]现在，让我们将我们的解决方案放在考场上，并进行一些观察。
当我们改变负载时会发生什么？
[edit | edit source].. 我们观察到 V1 和 V2 的变化，但电流表没有变化。我们很高兴：电流流动是恒定的：) 这是怎么发生的？
当我们增加负载电阻 Rl 时，它的电压降也会增加，这可以在伏特计 V2 上看到（逻辑上很简单 - 更多的电阻产生更大的压力）。由于 V2 显示增加，V1 相应地显示减少（它们的总和代表电源 Vcc 的电压）。由于我们使晶体管充当电流稳定的电阻，它“感觉到”C-E 电压降的减少，并服从地降低其电阻，因此电路支路中的电阻总和保持不变。因此电流流动也保持不变。
当我们降低负载电阻时，正好相反（V2 显示减少，V1 显示增加，晶体管升高其电阻，电阻总和保持不变，电流流动也保持不变）。
当我们改变电源电压时会发生什么？
[edit | edit source]好吧，这很简单，所以让我们尝试一个更难的测试 - 我们将改变电源电压。我们期望电流保持恒定，因为我们的“经理”（电位器）通过施加恒定电压将电路的*瓶颈*保持在相同的吞吐量水平。不幸的是，当我们进行实验时，我们注意到电流发生了变化......在下一节考试中见你，恒定电流源，你失败了。
但问题出在哪里？因此，电位器的电源 - 是为了便于检查而改变的那个，因此我们也改变了瓶颈吞吐量。我们的*最简单的电流源*没有通过这个测试，因为我们使用同一个电源来驱动晶体管以及为整个电路供电。
下一步：添加一个二极管
[edit | edit source]我们的解决方案没有通过上一个测试，但失败是一件坏事吗？它可以被认为是好的，因为它给了我们改进想法和向上爬梯的机会和动力。
显然，我们需要用一个独立的电源来驱动我们的晶体管。一种方法是使用另一个电压电源，专门用于此目的。这是一种成本较高的解决方案，因为它使用的资源是原来的两倍（两个电源而不是一个）。
更聪明的方法是用*电压稳定电路*代替*电压分配电路*。这可以通过用二极管（众所周知，它是一种电压稳定元件）替换电位器来实现 - 这个想法比你最初想的更有潜力，因为如果你想构建著名的*电流镜像电路*，这是可行的途径......这本身就是一个庞大的主题，将在另一篇电路理念文章中进行讨论。