一种压控电流源电路技术领域
本发明涉及到电子线路和电流源领域，更具体地讲，涉
及一种压控电流源电路，主要完成电压到电流的转换，实现
压控电流源的功能。
背景技术
压控电流源或者程控电流源是电气测量、计量校准、电
气试验不可或缺的仪器设备，在工矿企业、实验室得到广泛
应用。
在需要较大功率的电流源电路中，普遍采用场效应管、
达林顿管等功率器件实现电压到电流的转换，且多采用开环
的控制方式，因此，其精度较低。在电子电路的小功率应用
场合，经常使用运算放大器、稳压电路器件实现，电路连接
成闭环控制方式，因此，这种电路精度高，但输出电流和功
率相对较小，其闭环控制的电流采样电阻在大电流时功耗较
大，输入电压大小及调节范围均很小。
由运算放大器实现的典型压控电流源电路如图1所示。
假设图中运算放大器A1的输入端虚地的电压为Vg，流经输
出采样电阻Rs的电流为Io，则有如下的方程式：
Vg＝R1Vt/(R1+R2)
(Vi-Vg)/R3＝(Vg-Vo)/R4
Vt-Vo＝IoRs
取R1/R2＝R3/R4＝K，并消除Vg得到：
Vi＝KRsIo
即图1所示电路的输出电流与其输入电压成正比，可见此电路就
是一种压控电流源。
由于输出电流直接流经采样电阻Rs，当输出电流较大时Rs上的损
耗和发热就成为问题，若选择阻值很低的采样电阻时，在输出电流较
小时，其输入电压Vi值也较小，在组建程控电流源或者与其他电路连
接时，输入电压Vi的传输电压幅值、变化范围也均较低，容易受到噪
音的干扰。
发明内容
为了解决上述技术问题，降低采样电压幅值及其电阻的
损耗，提升控制电压的电压水平，本发明提供了一种压控电
流源电路，具体方案如下所述。
一种压控电流源电路，包括运算放大器A1、A2、电阻
器R1、R2、R3、R4和采样电阻Rs1；所述运算放大器A1的
正、负输入端分别与所述的电阻器R1和电阻器R3的一端连
接，所述运算放大器A1的输出端串接所述采样电阻Rs1后
作为电流源电路输出端子，所述电阻器R1和R3的另一端作
为压控电流源的电压输入端，其中一端接地，所述电阻器
R2的两端分别与所述运算放大器A1输出端和负输入端连
接；所述运算放大器A2的正输入端与所述采样电阻Rs1的
电流源电路输出端子侧连接，其负输入端和输出端分别与所
述电阻器R4的一端连接，所述电阻器R4的另一端与所述运
算放大器A1的正输入端连接；所述电路还包括一运算放大
器A3和电阻器R7、R8、R9，所述运算放大器A3的负输
入端分别与所述电阻器R7、R9的一端连接，所述电阻器R7
的另一端与所述运算放大器A3的输出端及所述电阻器R2
的一端连接，所述电阻器R9的另一端与所述运算放大器A2
的负输入端连接，所述电阻器R8的两端分别与所述运算放
大器A2的负输入端和输出端连接；所述运算放大器A3的
正输入端与所述运算放大器A1的输出端连接。
所述电路上还设有至少一个用于增加电路输出电流的
跟随器及相应的分流电阻，所述的跟随器串接相应的分流电
阻后分别与所述采样电阻Rs1的两端相并联。
所述跟随器包括一运算放大器A4和一分流电阻Rs2，所
述运算放大器A4的正输入端与所述运算放大器A1的输出
端连接；所述分流电阻Rs2的一端与所述采样电阻Rs1的电
流源电路输出端侧连接，其另一端分别与所述运算放大器
A4的输出端及负输入端连接。
所述跟随器中的各运算放大器和所述分流电阻分别与
所述运算放大器A1和采样电阻Rs1具有相同的参数。
所述电路还设置至少一个用于提高输出电压的反向放
大器，所述反向放大器的输入端子接电流源电路的输出端子
或者所述运算放大器A1的输出端，所述反向放大器的输出
替代电流源的地作为电流源电路的另外一个输出端子。
所述运算放大器A1的电压输入端还设有串接的电阻器
R5、R6分压电路，其串联连接点接地，其两端分别与压控
电流源的电压输入端子，即R1和R3的信号输入端连接。
所述的反向放大器包括一运算放大器A5和电阻器R10、
R11、R12，所述的电阻器R10的一端接地，其另一端与所述
运算放大器A5的正输入端连接，所述的电阻器R11一端与
所述运算放大器A5的负输入端连接，另一端作为反向放大
器的输入端与电流源输出端子或者所述运算放大器A1的输
出端连接，所述电阻器R12的两个端子分别与所述运算放大
器A5的负输入端和输出端连接，所述运算放大器A5的输
出端作为电流源电路的另一个输出端子与外部负载连接。
所述电流源的两个输出端子分别设有保护二极管D1、
D2和D3、D4。
所述电阻器R7、R8、R10上分别并联一电容器。
所述反向放大器中的所述电阻器R11与所述电阻器R12
具有相同的电阻值参数。
与现有技术相比本发明具有如下有益技术效果：
第一，将采样电阻Rs1两端的电压直接反馈至运算放大
器A1的输入端更改为经过运算放大器放大后反馈至运算放
大器的输入端，这样可大幅度降低采样电压幅值及其电阻的
损耗，提升控制电压的电压水平；
第二，本发明通过增加并联跟随器来加倍输出电流，从
而实现压控电流源电路的大电流输出；
第三，本发明通过增加输出反向放大器来增大输出电压
和功率，降低供电电源电压要求，并平稳供电电源负载电流。
附图说明
图1为典型运算放大器实现的压控电流源电路图；
图2为本发明所提供的一种电路示意图；
图3为本发明所提供的倍增输出电流方案示意图；
图4为本发明所提供的倍增输出电压方案示意图；
图5为本发明所提供的倍增输出电流和电压方案示意
图；
图6为本发明所提供的图4中的另一方案示意图。
图号说明：
A1～A6——运算放大器；
R1～R15——电阻器；
Rs、Rs1、Rs2——采样电阻或分流电阻；
Rt1～Rt2——分流电阻；
RL——负载电阻；
D1～D4——二极管；
C1～C3——电容器。
具体实施方式
为能使审查员清楚本发明的组成，以及实施方式，兹配
合图式说明如下：
实施例1
本发明提供了一种压控电流源电路，其基本电路如图2
所示。包括运算放大器A1、A2、电阻器R1、R2、R3、R4、
采样电阻Rs1和负载电阻RL；运算放大器A1的正、负输入
端分别与电阻器R1和电阻器R3的一端连接，运算放大器
A1的输出端与采样电阻Rs1的一端连接，电阻器R1的另一
端接地，电阻器R3的另一端与电压输入端连接，电阻器R2
的两端分别与运算放大器A1输出端和负输入端连接；运算
放大器A2的正输入端与采样电阻Rs1的另一端连接，其负
输入端和输出端分别与电阻器R4的一端连接，电阻器R4的
另一端与运算放大器A1的正输入端连接，负载电阻RL的
一端接地，其另一端与运算放大器A2的正输入端连接；其
特征在于，电路还包括一运算放大器A3和电阻器R7、R8、
R9，运算放大器A3的负输入端分别与电阻器R7、R9的一端
连接，电阻器R7的另一端与运算放大器A3的输出端连接，
电阻器R9的另一端与运算放大器A2的负输入端连接，电
阻器R8的两端分别与运算放大器A2的负输入端和输出端
连接；运算放大器A3的正输入端与运算放大器A1的输出
端连接。
图中的输出电流采样电阻Rs1两端电压分别通过运算放
大器A2和A3放大后反馈到主运算放大器A1的输入端。假
设采样电阻Rs1两端的电压分别为Vt和Vo，运算放大器A2
和A3放大电路的输出端电压分别为V4和V2，如图2所示，
假设流经Rs1的电流为输出电流Io，运算放大器A1的输入
端虚地的电压为Vg，则可得到如下的方程：
(V2-Vg)/R2＝Vg/R1
(Vi-Vg)/R3＝(Vg-V4)/R4
(V2-Vt)/R7＝(Vt-Vo)/R9
(V4-Vo)/R8＝(Vo-Vt)/R9
Vt-Vo＝Rs1Io
对上述方程化简，消去V2和V4得到：
Vi＝R3/R4(R3/R4-R1/R2)Vg+R3/R4(R7+R8+R9)/R9Rs1Io
取R1/R2＝R3/R4＝K1，(R7+R8+R9)/R9＝K2，有：
Vi＝K1K2Rs1Io
由此可见，对于图2所示的电路，其输出电流Io与输
入电压Vi成正比。与图1的电路相比，K1＝K，K2＞1，可见，
采样电阻上的压降Rs1Io可以更低，输入电压可以更大，此
电路不仅能够实现压控电流源的功能，而且可以解决上述分
析中的问题。
在图2的电路中，电路的最大输出电流和输出功率主要
决定于运算放大器A1的参数与能力，在实际应用中有时需
要增大输出电流和功率，这可以采用多个与运算放大器A1
相同的运算放大器连接成跟随器与运算放大器A1并联，从
而达到增大输出电流的目的；还可以采用一个或者多个与运
算放大器A1相同的运算放大器连接至运算放大器A1的输
出端，其输出连接至负载的另一端，从而达到提高输出电压
和功率的目的。
下面进一步介绍在上述发明的基础上实现增加输出电
流、提高输出电压的实现方案。
实施例2
图3给出了在图2的基础上再并联一个跟随器、增加一
倍输出电流的方案示意。与图2相比，此电路仅仅增加了一
个由运算放大器A4和采样电阻Rs2组成的跟随器，由电路
可见，运算放大器A4的输出电压永远跟随Vt的变化，由图
3可见，流经采样电阻Rs1和Rs2的电流分别为：
Is1o＝(Vt-Vo)/Rs1
Is2o＝(Vt-Vo)/Rs2
流经负载电阻RL的电流为上述两个电流之和，可见增
加跟随器后增大了输出电流；若取运算放大器A4和采样电
阻Rs2分别与运算放大器A1和采样电阻Rs1完全相同的参
数，则输出电流就增加了一倍。
若再增加一个跟随器和采样电阻，可进一步将输出电流
再增加一倍。
一般地，若增加N个跟随器与电流采样电阻，就可以
将电流增加到N+1倍。
实施例3
图4给出了在图2的基础上提高输出电压的一种方案示
意。在图2所示电路的输出端增加一个由电阻器R10～R12
和运算放大器A5组成的反向放大器，并将负载连接到压控
电流源输出Vo+与新增加反向放大器的输出Vo-之间，为了
避免输出上下限截止，输入电压不能直接接地，可以采用多
种方式接地控制信号的电平，图4给出了一种接地方式，即
通过两个电阻器R5和R6控制输入信号的中间电平与地同电
位，当然也可以采用其他电平控制方式。
针对图4电路，同样可以推导出如下关系式：
Vi+-Vi-＝K1K2(Vt-Vo+)
运算放大器A5的输出电压Vo-为：
Vo-＝-R12/R11Vo+
若取R11＝R12，则加在负载电阻RL上的电压为：
Vo＝Vo+-Vo-＝2Vo+
可见，增加反向放大器以后，电路的输出电压增加一倍。
尤其是对于功率较大的电路，采用此电路以后，电路对供电
电源的要求要降低很多，首先是对相同的输出电压，供电电
源的电压要降低一倍，其次是电源的供电电流更加平稳。
实施例4
图5给出了在图3的基础上提高输出电压的另一种方案
示意。在图3所示电路的输出端增加两个并联的反向放大
器，一个由电阻器R10～R12和运算放大器A5组成，另一个
有电阻器R13～R15和运算放大器A6组成，为了保证电流在
两个反向放大器间均匀分布，两个反向放大器分别经过分流
电阻Rt1和Rt2后并联，作为压控电流源的另一个输出端Vo-。
实施例5
图6是本发明提供了另一具体实施例，该电路基本上与
图4的电路完全相同，仅仅有几个细节上的差别。为了消除
高频可能产生的自激，在电阻器R7、R8和R10上分别并联
了一个小的电容器C1、C2、C3；为了最大限度地提高电路
输出功率，充分利用元件的能力，运算放大器A5的输入电
压未从Vo+引接，而是从Vt引接，这样在RL的输出功率有
所增加；为了适应外接负载RL可能包含感性负载，在电流
换向时避免运算放大器元件损坏，在Vo+和Vo-两个输出端
均增加了保护二极管D1～D4。
图6的电路可以输出正向、反向的直流电流，或者交流
电流，输出电流与输入电压成正比。此电路当与程控电压信
号发生器相联时，可以实现程控电流源的功能。
以上所述，仅供说明本发明之用，而非对本发明作任何
形式上的限制；有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明
的精神和范围的情况下，还可以利用上述揭示的技术内容加
以变更或改型为等同变化的等效实例，因此，所有等同的技
术方案也应该属于本发明的范畴，均仍属于本发明的技术方
案的范围内。