一、结果
电路中1个运放和4个电阻组成的就是模电教科书上的“单位减法器”(如果把图中的 VREF 换成地,它的输出-输入关系就是:VOUT = ΔVIN = VIN+ - VIN-),只不过有两个“正输入端”VIN+ 和 VREF,所以
VOUT = VIN+ + VREF - VIN- = ΔVIN + VREF
于是,这种恒流源可以分为3部分:一个单位减法器,一个电流采样电阻 RS 和一个反馈跟随器.(这种恒流源其实是“电压-电流变换器”或者“压控恒流源”,当输入电压ΔVIN为常量时,便成了恒流源.)
其中,“单位减法器”在这里的作用就是维持“输出电压为输入电压和参考电压之和”,即维持VOUT = ΔVIN + VREF,或者
VOUT - VREF = ΔVIN .
由电路结构可见,VOUT - VREF 正是采样电阻RS 上的电压,于是便可以维持“采样电阻RS 上的电压为常量ΔVIN”,根据欧姆定律,控制了电压,当然也就控制了电流:
IOUT = ΔVIN / RS
二、过程
上面的说法似乎有些“抽象”,因为它直接说了最终结果,而没有说实现结果的过程.维持这个结果的过程就是“深负反馈”.因为有个运放,“深反馈”是毫无疑问的,关键就是是否“负”.
我们假设IOUT↑,那么IOUT RS↑,当VOUT还来不及变化的时候,就会有VREF = VOUT - IOUT RS↓,既然VREF是“正输入端”之一,当然会导致VOUT↓,而VOUT↓显然会减小输出电流.
由IOUT↑出发得到IOUT↓的结果,因此电路对于IOUT 是负反馈,趋向于使它保持稳定.
三、说明
一般情况下,分析这种负反馈的电路,都可以分三步:
第一步:只看结果,不问过程.就是假设电路已经达到“平衡状态”,即“运放输入端虚短”的状态,然后根据各个参数的关系列方程.
但是,存在“平衡状态”,能否达到这个平衡状态,能否稳定呢?于是——
第二步再考虑平衡状态能否达到.这首先要分析电路极性,假设输出变大或变小,从输出端沿反馈网络回到输入端,看净输入量朝哪个方向变化,如果净输入量的变化趋向于抵消假设的变化,那就是负反馈,如同不倒翁;否则就是正反馈,正反馈的平衡状态就如同笔尖朝下立着的铅笔,是几乎无法维持的.
第三步还要考虑平衡状态的稳定,这一步初学者有时可以不管,但真正做产品必须考虑.这一步其实就是为了解决“当频率很高的时候,不倒翁会不会变成铅笔”的问题.学过自控原理的人都该知道那个“极点在坐标系左半平面还是右半平面”的判别准则,还应该知道什么“超前/滞后校正”,那些东西就是为了解决负反馈系统的稳定性的.
上面把那个反馈电压称为VREF 也是有历史渊源的.用过AD公司的仪表放大器,诸如AD620之类的,立刻就能明白我什么这么叫它.
