如何實(shí)現(xiàn)高精度、快速建立的大電流源？

電壓控制型電流源(VCCs)廣泛用于醫(yī)療器械、工業(yè)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。VCCs 的直流精度、交流性能和驅(qū)動(dòng)能力在這些應(yīng)用中至關(guān)重要。本文分析了增強(qiáng)型 Howland 電流源(EHCS)電路的局限性，并闡述了如何利用復(fù)合放大器拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)高精度、快速建立的±500 mA電流源。

增強(qiáng)型Howland電流源

圖1所示為傳統(tǒng)的Howland電流源(HCS)電路，而公式1顯示了如何計(jì)算輸出電流。如果R2足夠大，輸出電流將保持恒定。

圖1.Howland電流源電路

雖然較大的R2會(huì)降低電路速度與精度，但在反饋路由中插入一個(gè)緩沖器，形成一個(gè)增強(qiáng)型Howland電流源可以解決這一問(wèn)題，如圖2所示。所有通過(guò)R0的電流都流入RL。輸出電流由公式2計(jì)算。

圖2.增強(qiáng)型 Howland 電流源電路。

如果R1/R2 = R3/R4 = k，則該公式變?yōu)楣?。輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，僅受輸入電壓控制。這是一個(gè)理想的VCCS。

性能分析

公式3基于一個(gè)理想系統(tǒng)。圖3顯示了EHCS的直流誤差分析模型。VOS和IB+/IB–是主放大器的輸入失調(diào)電壓和偏置電流。VOSbuf和IBbuf是緩沖器的輸入失調(diào)電壓和偏置電流?？傒敵稣`差可以通過(guò)公式4計(jì)算。

圖3.失調(diào)電壓計(jì)算。

忽略增益電阻的不匹配，并考慮R1/R2 = R3/R4= k，R1//R2= R3//R4。輸出失調(diào)電流取決于放大器的失調(diào)和偏置電流，如公式5所示。

考慮R1/R2和R3/R4的不匹配，RL將會(huì)影響輸出失調(diào)電流。最差相對(duì)誤差如公式6所示。這個(gè)誤差取決于RL/R0和k。減小負(fù)載電阻并提高k將減少失調(diào)誤差。

我們還可以計(jì)算電路的溫度漂移，它來(lái)自放大器和電阻。放大器的失調(diào)電壓和偏置電流隨工作溫度而變化。對(duì)于大多數(shù)CMOS輸入放大器而言，溫度每升高10℃，偏置電流便增加一倍。不同類型電阻的漂移變化很大。例如，碳膜電阻的TC約為1500 ppm/℃，而金屬膜和體金屬電阻的TC可能是1 ppm/℃。

選擇精密放大器有利于輸出電流的直流精度。然而，精密放大器的選擇也存在許多局限性。其驅(qū)動(dòng)能力和交流性能都不夠好。表1列出了一些常見(jiàn)的精密放大器。

表1.精密放大器參數(shù)

我們希望構(gòu)建一個(gè)±500 mA的電流源，建立時(shí)間為1 μs。對(duì)于電流源，我們需要高驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于還要具有快速建立時(shí)間的電流源，我們需要出色的交流性能。一般來(lái)說(shuō)，精密放大器無(wú)法提供這兩個(gè)規(guī)范的組合，因?yàn)槠鋲簲[率和帶寬不夠好。這需要從其他類型的放大器中進(jìn)行選擇。

EHCS 實(shí)現(xiàn)

ADA4870 是一款高速、高電壓、高驅(qū)動(dòng)能力的放大器。它可提供10 V至40 V電壓，輸出電流限制為1.2 A。大信號(hào)下的帶寬超過(guò)52 MHz和壓擺率高達(dá)2500 V/μs。所有這些規(guī)格使它很適合快速建立和大電流源。圖4顯示了基于ADA4870的EHCS電路，它通過(guò)10 V輸入可生成一個(gè)±500 mA輸出電流源。

圖4. 基于ADA4870的EHCS電路。

在交流規(guī)格中，我們更關(guān)心建立時(shí)間、壓擺率、帶寬和噪聲。如圖5 所示，建立時(shí)間約為60 ns，帶寬約為18 MHz。輸出電流壓擺率可以 通過(guò)測(cè)量上升階段和下降階段的斜率來(lái)計(jì)算。正負(fù)壓擺率分別為 +25 A/μs和–25 A/μs。輸出噪聲密度曲線顯示了噪聲性能，在1 kHz時(shí) 大約為24 nV/√Hz。

圖5. 基于ADA4870的EHCS建立時(shí)間和頻率響應(yīng)。

圖6. 基于ADA4870的EHCS輸出噪聲密度曲線。

由于輸入失調(diào)電壓和偏置電流較大，該電路的直流精度不高。表2顯示了不同的直流誤差源與貢獻(xiàn)。主要的直流誤差來(lái)自ADA4870的Vos和IB。典型輸出電流失調(diào)約為11.06 mA，這相當(dāng)于500 mA全程時(shí)2.21%左右的誤差范圍。

表2. 基于ADA4870的EHCS直流誤差

復(fù)合放大器技術(shù)

ADA4870這樣的高驅(qū)動(dòng)放大器的直流參數(shù)限制了輸出電流的精度，而高精度放大器的速度又不夠。為此，我們可以利用復(fù)合放大器技術(shù)在單個(gè)電路中集成所有這些特性。圖7所示為一個(gè)復(fù)合放大器增強(qiáng)型Howland電流源(CAEHCS)，它由ADA4870和ADA4898-2組成。

圖7.復(fù)合放大器EHCS電路。

選擇ADA4898-2構(gòu)成復(fù)合放大器是因?yàn)樗哂谐錾慕涣骱椭绷餍阅?。?3 dB帶寬為63 MHz。它在輸出階躍為5 V時(shí)的0.1%建立時(shí)間為90ns，壓擺率可達(dá)55 V/μs。它還具有超低噪聲。電壓噪聲密度為0.9 nV/√Hz，電流噪聲密度為2.4 pA/√Hz。至于直流規(guī)格參數(shù)，它的性能表現(xiàn)也很好。典型輸入失調(diào)電壓為20 μV，溫度漂移為1 μV/°C。偏置電流為0.1 μA。表3顯示了CAEHCS的直流誤差。輸出電流失調(diào)降低至0.121 mA，這意味著誤差范圍在0.03%以下。

表3.基于ADA4898的CAEHCS直流誤差

CAEHCS的交流性能如表4所示。由于復(fù)合放大器的環(huán)路延遲，其建立時(shí)間和帶寬均低于EHCS。由于ADA4898-2的電流噪聲低，因此CAEHCS的輸出噪聲遠(yuǎn)低于EHCS的輸出噪聲。如數(shù)據(jù)手冊(cè)中所標(biāo)明的，ADA4870的反向輸入電流噪聲密度為47 pA/√Hz。通過(guò)使用幾個(gè)kΩ級(jí)阻值的電阻，它將產(chǎn)生比電壓噪聲(2.1 nV/√Hz)高很多的噪聲。然而，CAEHCS中的輸入電流噪聲密度為2.4pA/√Hz。它產(chǎn)生的輸出噪聲要低很多。

表4.CAEHCS的交流規(guī)格

首先，CAEHCS大大提高了VCCS的直流精度，并具有同等驅(qū)動(dòng)能力和交流性能。此外，可供選擇的復(fù)合放大器產(chǎn)品很多，以滿足不同的需求。表5顯示了CAEHCS電路中不同放大器的性能。LT6275的交流性能最好。它的建立時(shí)間可達(dá)100 ns以內(nèi)，壓擺率高達(dá)15 A/μs。ADA4522-2等零漂移放大器非常適合輸出電流失調(diào)誤差約為0.002 mA的高精度應(yīng)用。

表5.CAEHCS中主放大器的選擇

測(cè)試結(jié)果

基于ADA4898的EHCS和CATHCS的性能如表6和圖8所示。

表6.EHCS與CAEHCS的比較

圖8.ADA4898-2（CH1-輸入、CH2-輸出）的建立時(shí)間。

CAEHCS電路具有比EHCS電路好很多的直流規(guī)格。其輸出電流失調(diào)為0.2 mA，而EHCS電路的輸出電流失調(diào)為10.9 mA。CAEHCS電路也具有很好的交流規(guī)格。兩者的建立時(shí)間均為100 ns。EHCS電路的帶寬為18 MHz，而CAEHCS電路的帶寬為8 MHz。

基于ADA4522-2和LT6275的CAEHCS性能如表7所示。

表7.CAEHCS中不同主放大器的測(cè)試結(jié)果

ADA4522-2版本的輸出失調(diào)誤差更低，低至0.04 mA。LT6275的建立時(shí)間約為60 ns，輸出電流壓擺率高達(dá)16.6A/μs（如圖9所示）。

圖9.LT6275（CH1-輸入、CH2-輸出）的建立時(shí)間。

散熱考慮

VCCS的輸出電流可以達(dá)到幾百毫安。整體功耗可達(dá)幾瓦。如果輸出效率不高，器件的溫度將快速上升。ADA4870不使用散熱器時(shí)的熱阻(θJA)為15.95℃/W。溫升可采用公式7計(jì)算。

R0的取值將影響ADA4870的功耗。表8顯示了在±20 V電源電壓下選擇不同R0值的溫升。當(dāng)選用較大的R0時(shí)，溫升會(huì)大大降低。因此，建議使用較大的R0以降低溫升。

表8.ADA4870的功耗和溫升與R0的關(guān)系(Io = 500 mA)

結(jié)論

CAEHCS電路將高驅(qū)動(dòng)放大器和高精度放大器相結(jié)合，可在VCCS應(yīng)用中提供出色的交流和直流性能以及大輸出容量。建議在此電路中將 ADA4870 與 ADA4898、LT6275和ADA4522結(jié)合使用。

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