近来在电路设计实例中，电流镜结构是绕不开的热门话题。多数设计者的目标，是让输出电流I2与输入电流I1保持精确的1:1关系。但图1所示的电路却提供了一个不一样的思路——它不仅能有效规避传统电流镜面临的早期效应（Early Effect）等问题，实现出色的电流匹配，更重要的是，它具备极高的灵活性，允许我们自由设定输入与输出电流的比例。
图1：通过电阻R1与R2的比值，直接设定输出电流I2与输入电流I1的比例。
这个设计的灵感，源于TLx431系列并联稳压器（Shunt Regulator）的灵活应用。之前我们探讨过如何将其用作可编程电流源，而图1则展示了将两颗此类器件组合，构建一个增益可编程的电流镜的巧妙方法。
在TL431（基准电压2.5V）和TLV431（基准电压1.24V）之间如何选择？这取决于你的电流与电压需求。电流方面，TL431的适用范围是1mA至100mA，而TLV431则为100µA至15mA。电压方面，TL431可承受2.5V至36V，TLV431则为1.24V至6V。
需要注意的关键点是，输入电流I1和输出电流I2都必须落在所选器件的额定电流范围内，整个调节与“镜像”功能才能正常工作。电路所需的最小输入电压为 Vref + I2 * R2。
当然，这些小型封装器件的散热能力有限。不过，如图2所示，只需增加一个外置晶体管，就能几乎无限地扩展其电流与功率处理能力。
图2：增加升压晶体管Q1，可以承担远超过431自身限制的电流和功耗。
你可能会觉得，电路中的Z1似乎有些“清闲”，它仅仅是为R1和Z2提供偏置电压。但实际上，我们可以通过图3所示的进阶设计，让它发挥更关键的作用。这种架构不仅能实现任意的I1/I2比例，还能引入一个固定的偏移电流。它的工作原理是这样的：
图3：基于两颗TL431，配合六个电阻与一颗晶体管，构建出完整的0-20mA到4-20mA电流环路转换器。Z2将Z1产生的500mV偏移电压，与电流检测电阻R1上0-2V的压降相加，再通过R2进行比例缩放，最终输出4-20mA标准信号。晶体管Q1提供电流放大，使电路能适应高达36V的环路电压。注意：R1、R2、R4和R6需选用高精度电阻。
在这个实战电路中，Z1和周边的电阻网络（R4, R5, R6）共同设定了一个稳定的500mV偏移电压。输入电流I1（0-20mA）流过精密采样电阻R1（100Ω），产生一个0-2V的电压降。这个电压与500mV的偏移电压在Z2的输入端求和。
Z2作为控制器，会调节其阴极电流，使其参考端电压稳定在2.5V。因此，流经电阻R2的电流I2将与（500mV + I1*R1）成比例关系。通过精心计算R2（此处为125Ω）的阻值，即可将0-20mA的输入线性地转换为4-20mA的标准工业输出。外置的功率晶体管 Q1负责承受主要的功耗，使得整个电路能够驱动高电压的电流环路。
这种利用常见、廉价的TL431构建精密模拟功能模块的方法，充分体现了在理解基础原理后进行创造性设计的重要性。如果你对更多硬件设计与电路仿真技巧感兴趣，欢迎来云栈社区交流探讨。 | 
发表于 2 小时前
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