如何減少接地負(fù)載電流源誤差

運(yùn)算放大器通常用于在工業(yè)流程控制、科學(xué)儀器和醫(yī)療設(shè)備等各種應(yīng)用中產(chǎn)生高性能電流源。《模擬對(duì)話》1967 年第 1 卷第1 期上發(fā)表的“單放大器電流源”介紹了幾種電流源電路，它們可以提供通過(guò)浮動(dòng)負(fù)載或接地負(fù)載的恒流。在壓力變送器和氣體探測(cè)器等工業(yè)應(yīng)用中，這些電路廣泛應(yīng)用于提供 4-mA 至20-mA 或 0-mA 至 20-mA 的電流。

圖 1 所示的改進(jìn)型 Howland 電流源非常受歡迎，因?yàn)樗梢则?qū)動(dòng)接地負(fù)載。允許相對(duì)較高電流的晶體管可以用 MOSFET 取代，以便達(dá)到更高的電流。對(duì)于低成本、低電流應(yīng)用，可以去除晶體管，如《模擬對(duì)話》2009 年第 43 卷第 3 期“精密電流源的心臟：差動(dòng)放大器”所述。這種電流源的精度取決于放大器和電阻。本文介紹如何選擇外部電阻以最大程度減少誤差。

圖 1. 改進(jìn)型 Howland 電流源驅(qū)動(dòng)接地負(fù)載。

通過(guò)對(duì)改進(jìn)型 Howland 電流源進(jìn)行分析，可以得出傳遞函數(shù)：

提示 1：設(shè)置 R2 + R5 = R4

在公式 1 中，負(fù)載電阻影響輸出電流，但如果我們?cè)O(shè)置 R1 = R3和 R2 + R5 = R4，則方程簡(jiǎn)化為：

此處的輸出電流只是 R3、R4和 R5的函數(shù)。如果有理想放大器，電阻容差將決定輸出電流的精度。

提示 2：設(shè)置 RL = n × R5

為減少器件庫(kù)中的總電阻數(shù)，請(qǐng)?jiān)O(shè)置 R1 = R2 = R3 = R4?，F(xiàn)在，公式 1 簡(jiǎn)化為：

如果 R5 = RL，則公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

此處的輸出電流僅取決于電阻 R5。某些情況下，輸入信號(hào)可能需要衰減。例如，在處理 10 V 輸入信號(hào)且 R5 = 100 Ω 的情況下，輸出電流為 100 mA。要獲得20 mA 的輸出電流，請(qǐng)?jiān)O(shè)置 R1 = R3 = 5R2 = 5R4?，F(xiàn)在，公式 1簡(jiǎn)化為：

如果 RL = 5R5 = 500 Ω，則：

提示 3：R1/R2/R3/R4的值較大，可以改進(jìn)電流精度

大多數(shù)情況下，R1 = R2 = R3 = R4，但 RL ≠ R5，因此輸出電流如公式 3 所示。例如，在 R5 = 100 Ω 且 RL = 500 Ω 的情況下，圖 2 顯示電阻 R1與電流精度之間的關(guān)系。要達(dá)到 0.5%的電流精度，R1必須至少為 40 kΩ。

圖 2. R1與輸出電流精度之間的關(guān)系。

提示 4：電阻容差影響電流精度

實(shí)際電阻從來(lái)都不是理想的，每個(gè)電阻都具有指定的容差。圖 3顯示了示例電路，其中 R1 = R2 = R3 = R4 = 100 kΩ，R5 = 100 Ω，而且 RL = 500 Ω。在輸入電壓設(shè)置為 0.1 V 的情況下，輸出電流應(yīng)該為 1 mA。表 1 顯示由于不同電阻容差而導(dǎo)致的輸出電流誤差。為達(dá)到 0.5%的電流精度，請(qǐng)為 R1/R2/R3/R4選擇 0.01%的容差，為 R5選擇 0.1%的容差，為 RL選擇 5%的容差。0.01%容差的電阻成本昂貴，因此更好的選擇是使用集成差動(dòng)放大器（例如AD8276），它具有更好的電阻匹配，而且更加經(jīng)濟(jì)高效。

圖 3. IOUT = 1 mA 的示例電路。

表 1. 最差情況輸出電流誤差(%)與電阻容差(%)

結(jié)論

在設(shè)計(jì)改進(jìn)型 Howland 電流源時(shí)，需要選擇外部電阻，使得輸出電流不受負(fù)載電阻的影響。電阻容差會(huì)影響精度，必須在精度和成本之間權(quán)衡考慮。放大器的失調(diào)電壓和失調(diào)電流也會(huì)影響精度。請(qǐng)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定放大器是否滿足電路要求。可以使用 Multisim 進(jìn)行仿真，了確這些規(guī)格對(duì)精度產(chǎn)生的影響。集成差動(dòng)放大器具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、增益誤差和增益漂移，可以經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的電流源。