如何利用運算放大器設計精密電流泵

在電路理論中，電壓源和電流源同樣理想，同樣易于實現(xiàn)。您只需畫一個圓圈，然后為電壓添加正負號或為電流添加箭頭。現(xiàn)在您有一個電路元件，它可以在所有條件下產(chǎn)生指定電壓或在所有條件下驅(qū)動指定電流。

在現(xiàn)實生活中，電源并不理想，此外，逼近理論電壓源比逼近理論電流源要容易得多。電壓源與電池、齊納二極管或與緩沖器組合的電阻分壓器一樣簡單。

另一方面，電流源通常需要一些巧妙的電路設計和對操作細節(jié)的更多關注。

電流源架構

有多種方法可以設計電流源。在我們研究雙運算放大器拓撲之前，讓我們簡要回顧一下其他一些選項。您可以通過單擊相應的鏈接了解有關所有這些主題的更多信息。

一種有趣的方法是使用電壓調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器：

LT3085 的應用圖。圖片由Linear Devices (Analog Devices)提供

另一種選擇是基于放大器的電路，我在上一篇關于如何設計簡單的電壓控制雙向電流源的文章中對此進行了討論。基于放大器的電路隱約讓人聯(lián)想到雙運算放大器拓撲結構，但其中一個放大器是儀表放大器而不是運算放大器。

電壓可編程電流源圖。圖片由Linear Devices (Analog Devices)提供

最后，我們有Howland 電流泵，它在 Sergio Franco 博士撰寫的 AAC 文章中進行了徹底分析。

雙運放拓撲

我在 Analog Devices 的一份舊應用筆記中找到了這個被描述為“精密電流泵”的電路。它產(chǎn)生與輸入電壓成正比的雙向輸出電流。

這是原始電路圖：

精密電流泵示意圖。圖片由 Analog Devices提供

這個電路有一些我喜歡的地方。首先，只需要兩種類型的元件：運算放大器和電阻器。

其次，運算放大器具有相同的部件號。的確，該電路使用兩個運算放大器，而 Howland 泵僅使用一個，但兩個運算放大器可以是完全相同的部件這一事實是有利的，因為您可以使用雙運算放大器 IC 封裝，從而最大限度地減少任何第二個運算放大器需要額外的成本或電路板空間。

第三，五個電阻中的四個（R2、R3、R4、R5）可以具有相同的值，然后電壓電流增益由一個電阻（R1）控制。R2–R5 的值并不重要，因此您可以根據(jù)實驗室已有的組件或現(xiàn)有 BOM 調(diào)整電路。但請記住，更高精度的電阻器會產(chǎn)生更高精度的電流源。

第四，輸入電壓是差分的。這使您可以靈活地提供控制電壓，并允許您利用電路的雙向輸出電流能力，而無需生成延伸到地以下的控制電壓。

雙運算放大器電流源的基本操作

我們將使用 LTspice 實現(xiàn)來幫助我們分析雙運放電流源。

在這里，我使用的是 LTspice“理想的單極運算放大器”。我最初用 OP-77 嘗試過，但模擬運行不正常。OP-77 宏模型可能存在問題，因為我有另一個版本的電路使用 LT1001A 運算放大器并且它模擬正確。

恒流源電路通常依賴于某種類型的反饋，無論負載電阻如何，該反饋都會使電壓源產(chǎn)生指定的電流。（您可以在我為顏色傳感器項目設計的壓控 LED 驅(qū)動器中看到一個簡單的示例。）

在雙運放電流泵中，U1放大差分控制電壓，U2配置為電壓跟隨器，感應負載兩端的電壓并將其反饋到輸入級。

上面顯示的電壓源配置產(chǎn)生一個從 +250 mV 到 –250 mV 的差分輸入電壓。根據(jù)應用筆記中提供的方程式，輸出電流應在 2.5 mA 至 –2.5 mA 之間變化，因為 A V = 1 且 R1 = 100 Ω，這正是我們觀察到的：

使用此電路需要注意的一件事是 U1 輸出電壓。所有負載電流都來自 U1。如果忽略流經(jīng)反饋電阻R4 并流入U2 正輸入端的極小電流，則U1 輸出端的電壓將等于I OUT 乘以負載電阻與R1 的電阻之和。

該電壓很容易超過運算放大器輸出級實際產(chǎn)生的電壓，特別是如果您使用的是 ±3 V 或 ±5 V 電源軌，而不是我認為的 ±12 V 或 ±15 V 模擬電源電壓過去常見。

由于這個限制，我認為雙運算放大器電流泵是具有低負載電阻和/或小輸出電流的應用的不錯選擇。

結論

我們快速瀏覽了具有合理 BOM 要求并包含差分控制電壓輸入級的雙向電流源電路。在下一篇文章中，我們將使用 LTspice 更詳細地分析電路的性能。