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模拟电子技术基础教程：电压源与电流源详解

在模拟电路的世界里，电源不是简单的“供电工具”，而是决定系统性能的核心角色。我们每天都在用电池、稳压模块、LDO 给芯片供电，但你是否真正理解：为什么有的电路必须用恒流驱动？为什么高精度 ADC 要配独立参考电压源？为什么运放偏置不再用电阻分压？

这一切的答案，都藏在两个最基础却又最容易被忽视的概念中——电压源和电流源。

从“理想”出发：什么是真正的电压源与电流源？

理想电压源：不管负载怎么变，我电压不变

想象一个神奇的盒子，它有两个输出端，无论你接多大电阻、拉多少电流，它的两端电压始终如一。比如设定为 3.3V，哪怕短路（理论上），它也会瞬间提供无穷大的电流来维持这 3.3V —— 这就是理想电压源。

它的数学定义很简单：

$ V_{out} = V_{set} $，与负载无关。

关键特性是：内阻为零。
因为如果有内阻 $ R_s > 0 $，当电流 $ I $ 流过时就会产生压降 $ I \cdot R_s $，导致输出电压下降，那就不再是“理想”了。

现实中当然没有内阻为零的电源，但我们可以通过设计让实际电压源尽可能接近这个目标。例如线性稳压器 LDO 的输出阻抗可以做到几十毫欧以下，在大多数应用场景下已足够“理想”。

理想电流源：不管你负载变成什么样，我的电流不变

再想象另一个盒子，它不管外接的是 1Ω 还是 1MΩ，输出的电流永远固定在一个值上，比如 2mA。如果负载变大，它就自动提高输出电压以维持电流恒定；直到电压达到极限（称为合规电压），才无法继续。

这就是理想电流源：

$ I_{out} = I_{set} $，与负载无关。

其核心特征是：输出阻抗无穷大。
只有这样，才能抵抗负载变化对电流的影响。实际电路中我们会尽力提升输出阻抗，比如使用共源共栅结构将 MOSFET 的输出阻抗从几十 kΩ 提升到数 MΩ。

实际中的实现方式：硬件如何逼近“理想”

电压源怎么做的？反馈控制是灵魂

虽然理想电压源无法实现，但现代稳压技术已经非常接近。

常见实现方案：

两者都依赖负反馈环路：采样输出 → 对比参考 → 调整驱动 → 稳定输出。

举个例子，典型的 LDO 内部框图如下：

VIN ──→ [调整管] ──→ VOUT ↑ [误差放大器] ↗ ↖ REF [分压采样]

只要 REF 是稳定的基准电压（如带隙基准），整个系统就能把 VOUT 锁定在一个精确值上。

关键参数解读

• 负载调整率（Load Regulation）：负载从空载到满载变化时，输出电压的变化量。
• 典型值：< 0.1% / mA，越小越好。
• 线路调整率（Line Regulation）：输入电压波动时，输出电压的稳定性。
• 衡量抗干扰能力。
• PSRR（电源抑制比）：衡量对输入纹波的过滤能力，单位 dB。
• 高 PSRR 意味着即使前级电源不干净，输出依然稳定。

这些参数直接决定了你在给 ADC 或 RF 收发器供电时会不会引入额外噪声。

电流源怎么做？晶体管才是主角

相比电压源，电流源更多出现在模拟集成电路内部，作为偏置、有源负载或激励源使用。

最基本结构：BJT 或 MOSFET 构成的恒流单元

1. 简单镜像电流源（Current Mirror）

这是 IC 设计中最常见的结构之一。利用两个匹配的晶体管复制电流：

VDD │ ├─[M1]──┐ │ │← 参考支路（Iref 固定） │ [M2] │ │← 输出支路（Iout ≈ Iref） └──────┴──→ 到负载

只要 M1 和 M2 完全匹配且工作在饱和区，Iout 就等于 Iref。这种结构广泛用于运放输入级的尾电流源。

2. 共源共栅结构（Cascode Current Source）

为了进一步提高输出阻抗，常采用 Cascode 结构：

VDD │ [M3] ← cascode 管（提升阻抗） │ [M2] ← 主电流管 │ GND

M3 的作用是“屏蔽”M2 漏极电压的变化，使其工作点更稳定，从而显著提升整体输出阻抗（可达数 MΩ）。

关键指标一览

特别是在精密 DAC、ADC 或锁相环中，电流源的稳定性直接影响系统的线性度和抖动性能。

实战应用：它们到底用在哪？

别以为这只是课本里的理论模型，下面这些真实场景全靠它们撑起性能天花板。

场景一：传感器激励 —— 恒流 vs 恒压，谁更准？

考虑一个惠斯通电桥压力传感器：

• 若采用恒压激励，引线电阻会分压，导致实际加在桥上的电压偏低，尤其长距离传输时误差明显；
• 改用恒流激励（如 1mA），则流过桥臂的电流恒定，输出信号与应变成正比，不受导线电阻影响。

✅结论：对于电阻式传感器（RTD、应变片等），恒流激励更具优势。

而且还能玩四线制测量（Kelvin Sensing），彻底消除引线压降影响。

场景二：LED 驱动 —— 亮度一致性靠什么保障？

LED 的伏安特性是非线性的，不同个体之间正向电压 $ V_f $ 存在差异。如果你用 5V 电源串联电阻驱动多个并联 LED：

5V ──┬──[R]───→ LED1 └──[R]───→ LED2

由于每个 LED 的 $ V_f $ 不同，即使电阻相同，流过的电流也不同，结果就是亮度不均。

解决方案？恒流驱动！

无论是专用 LED 驱动 IC（如 MAX17651），还是基于运算放大器 + BJT 的线性恒流源，目的都是确保每串 LED 得到相同的电流。

💡 小贴士：高端车灯、显示屏背光几乎全部采用恒流架构。

场景三：运放偏置 —— 电阻不行，得上电流镜

传统分立运放可能用两个电阻给差分对提供偏置电流。但问题来了：

• 电阻受温度影响大，电流漂移；
• 工艺偏差导致两边不对称，共模抑制比下降。

怎么办？换成电流镜偏置！

VCC │ [PMOS Mirror] │ IN+ ──[M1]─┤├─[M2]── IN- │ [NMOS Tail] │ GND

由一个精准的参考电流生成后，通过 PMOS 镜像到左右两支，不仅温漂小，还能保证高度对称，极大提升增益和 CMRR。

这也是为什么几乎所有集成运放内部都有复杂的偏置网络。

数字时代的融合：MCU 如何控制模拟电源？

别忘了，今天的电源早已不是“插上去就完事”的家伙。越来越多系统采用数字可编程电源，实现动态调节、节能管理、故障保护等功能。

这就需要微控制器介入控制。

示例 1：用 DAC 控制 LDO 输出电压

某些可调 LDO（如 TPS7A47）允许外部设置反馈电压。我们可以用 MCU 控制 DAC 输出一个模拟电压，作为新的参考：

#include "i2c.h" #include "dac_driver.h" #define DAC_MAX_VOLTAGE 3.3f #define TARGET_VOLTAGE 1.8f #define DAC_RESOLUTION 4096 // 12-bit void set_ldo_voltage(float target_volts) { uint16_t dac_code = (uint16_t)((target_volts / DAC_MAX_VOLTAGE) * DAC_RESOLUTION); i2c_write(DAC_I2C_ADDR, (dac_code >> 8), dac_code & 0xFF); } int main(void) { i2c_init(); set_ldo_voltage(1.8); // 动态设置 FPGA 核心电压 while(1); }

这类设计常见于多电压域系统（如 SoC、FPGA），根据负载状态动态升降压，实现功耗优化。

示例 2：SPI 配置 LED 恒流驱动芯片

很多现代 LED 驱动器支持数字接口配置电流等级。例如 MAX17651 支持 SPI 设置输出电流：

#include "spi.h" #define MAX17651_ADDR 0x3C #define SET_CURRENT_REG 0x01 #define CURRENT_CODE_20MA 0x80 void configure_constant_current(uint8_t current_code) { uint8_t tx_data[2] = {SET_CURRENT_REG, current_code}; spi_write(MAX17651_ADDR, tx_data, 2); } int main(void) { spi_init(); configure_constant_current(CURRENT_CODE_20MA); // 设置 20mA 恒流 while(1); }

这种方式便于实现调光、渐亮、故障上报等智能功能，是智能家居、车载照明的标准做法。

工程设计中的那些“坑”与应对策略

再好的理论，遇到现实都会被打脸。以下是几个典型问题及解决思路。

❌ 问题 1：远端设备电压偏低？

现象：PCB 上电源标称 3.3V，但远处的 ADC 实测只有 3.1V。

原因：走线电阻 + 去耦不足 → 电流突变时发生 IR Drop。

对策：
- 加粗电源走线（或使用电源平面）；
- 在负载端增加去耦电容（0.1μF + 10μF 组合）；
- 必要时采用远程采样（Remote Sense）技术，让稳压器直接检测远端电压进行补偿。

⚠️ 注意：普通 LDO 不支持 remote sense，需选用具备此功能的型号（如 LTC3082）。

❌ 问题 2：恒流源突然失效？

现象：电流源输出电压已达上限，但仍达不到设定电流。

根源：超出合规电压范围！

比如你的电流源最大只能输出 3V，但负载需要 3.5V 才能通过目标电流，此时晶体管退出饱和区，进入线性区，失去恒流能力。

解决办法：
- 提高电源电压；
- 减小负载阻值；
- 选择更高合规电压的拓扑（如 cascode 可扩展范围）。

❌ 问题 3：运放偏置电流不稳定？

背景：使用简单电阻偏置，发现低温下增益下降严重。

分析：BJT 的 $ V_{BE} $ 随温度变化约 -2mV/°C，导致基极电流漂移，进而影响集电极电流。

升级方案：改用带温度补偿的电流源，例如结合 PTAT 和 CTAT（互补于绝对温度）电流生成零温度系数偏置。

这类设计在精密仪器、医疗设备中极为常见。

PCB 设计建议：不只是原理图的事

最后提醒一句：好电路 ≠ 好产品。Layout 才是成败的关键。

特别是混合信号系统（如 ADC + MCU），一定要分离模拟电源和数字电源，必要时使用磁珠隔离。

总结：掌握本质，才能驾驭复杂系统

电压源与电流源，看似简单，实则是模拟电子世界的“阴阳两极”。

• 电压源追求“稳”：低内阻、高稳定性、快速瞬态响应，是数字系统、参考源、供电网络的基石；
• 电流源追求“准”：高输出阻抗、良好匹配、宽合规范围，是偏置、放大、传感激励的核心。

它们不仅是电路分析的基本元件，更是高性能设计的灵魂所在。

当你下次看到一个 LDO 数据手册上的“load regulation”，或是运放内部的“current mirror”，希望你能意识到：这些都不是孤立的存在，而是整个系统性能链条上的关键一环。

掌握它们的区别与协同，你就掌握了打开模拟世界大门的第一把钥匙。

如果你正在做传感器前端、电源管理、高精度采集系统，不妨回头看看：你的电压源够“硬”吗？你的电流源够“纯”吗？

欢迎在评论区分享你的设计经验和踩过的坑！