電流源常常用于測(cè)試其他設(shè)備,，用以驅(qū)動(dòng)電流傳感器或其他器材，提供二晶體管或三極管的偏置,或者設(shè)定測(cè)試條件[1],。直流電流源還可以精確測(cè)量低電阻阻值,。電流源在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用激發(fā)起人們對(duì)恒流源的研究更加深入化和多樣化。恒流源在加速器中的使用是加速器結(jié)構(gòu)改善的一個(gè)標(biāo)志[2],。因此如何提高電流源的精度和拓展其應(yīng)用電路,，一直是專業(yè)人士熱衷的研究課題。本文設(shè)計(jì)了一種基于Howland電流源電路和V/I轉(zhuǎn)換電路（即其延拓電路）的組合式精密壓控電流源,。先通過(guò)仿真手段研究Howland電流源電路及其變形電路的互補(bǔ)組合式的電流特性,，再使用通用集成運(yùn)算放大器和電阻構(gòu)建壓控電流源的實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路，并給出精度,、輸出阻抗以及頻率響應(yīng)特性等實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,。

    在Multisim10.0的環(huán)境下對(duì)Howland電流源電路進(jìn)行仿真，測(cè)試實(shí)際搭建的電路（測(cè)試過(guò)程中集成運(yùn)放均用的是UA741CN）,得到輸入電壓和輸出電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系,，如表1所示,。
2 Howland電流源延拓電路即(V/I轉(zhuǎn)換電路)
     Howland電流源電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是輸入和輸出反相,，不能滿足設(shè)計(jì)需要,。為解決這個(gè)問(wèn)題，將其延拓即得圖2所示的V/I轉(zhuǎn)換電路,。

    表1和表2均表明仿真效果很好,，但實(shí)際電路的效果并不理想，輸出電流的精度較差,。這是因?yàn)榉抡孢^(guò)程中數(shù)據(jù)是理論值,，運(yùn)放參數(shù)被理想化，而實(shí)際的運(yùn)放都不理想,，Avd,、Rid、KCMR并非無(wú)窮大,，Rod也不為零,，故Io和Ui的關(guān)系不能嚴(yán)格滿足理論公式。所以僅有單純的Howland電流源電路或V/I轉(zhuǎn)換電路并不能構(gòu)成精密壓控電流源,。
3 高精度壓控電流源
3.1理論分析及仿真
    由本文1,、2節(jié)看出：Howland電流源和V/I轉(zhuǎn)換電路仿真時(shí)的絕對(duì)誤差在μA級(jí)，但實(shí)際電路的絕對(duì)誤差則接近mA級(jí),，基本不能滿足應(yīng)用需求。故兩個(gè)電路在實(shí)際的高精度壓控電流源中都不實(shí)用,。
    為了提高輸出精度,，本文引入誤差補(bǔ)償?shù)乃枷?。通過(guò)對(duì)比、分析上文得到的數(shù)據(jù),，將Howland電流源作為誤差補(bǔ)充電路引入到V/I轉(zhuǎn)換電路中,，得到圖3所示高精度壓控電流源電路。該電路極大地改善了電路的精度,，使實(shí)際輸出電流的絕對(duì)誤差達(dá)到μA級(jí),。其中VREF為基準(zhǔn)電壓，作為Howland電流源的壓控端,，輸出一個(gè)小電流用以補(bǔ)償核心電路的誤差,。在實(shí)際電路中R0、R,、R7均要求為精密電阻,。其余阻值要匹配，否則會(huì)帶來(lái)很大的誤差[3],。
    在Multisim10.0的環(huán)境下對(duì)高精度電流源電路仿真,，對(duì)Ui進(jìn)行參數(shù)掃描分析得到表3所示結(jié)果。
    表3中數(shù)據(jù)表明圖3電路極大的提高了輸出精度,，表明該電路理論上可行,。

    對(duì)圖3電路進(jìn)行交流分析可知，該高精度電流源具有較好的頻率響應(yīng),，圖4給出了其頻率響應(yīng)曲線,，包括有幅度頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)。由圖可見(jiàn),，電路的上限截止頻率達(dá)到600 kHz,，優(yōu)于運(yùn)算放大器的單位增益帶寬積。當(dāng)采用CB工藝實(shí)現(xiàn)單片集成時(shí),電路的性能會(huì)更好[4],。
3.2 高精度壓控電流源實(shí)際測(cè)試
    測(cè)試圖3電路時(shí)使輸入電壓Ui在0~15 V之間變化,，調(diào)節(jié)VREF的輸入電壓（為負(fù)），使輸出電流精確跟隨Ui變化,，達(dá)到精確壓控目的,。記錄下對(duì)應(yīng)的VREF值，得到數(shù)據(jù)如表4所示,。通過(guò)數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn),，當(dāng)Ui在0~9.5 V變化時(shí)，在保證電壓精密控制Io的前提下,，VREF和Ui的關(guān)系為線性關(guān)系：VREF=-0.103 4Ui-0.006 8 V,其中Ui≤9.50 V,，線性擬合度R2=0.999 4。
    VREF和Ui之間存在極好的線性關(guān)系,，故在Ui和VREF之間引入反相比例運(yùn)算電路,，如圖5所示,。不僅很好地解決了Ui與誤差補(bǔ)償電路的基準(zhǔn)電壓VREF之間的關(guān)系，而且簡(jiǎn)化了控制方式,，在輸入控制電壓的同時(shí)引入補(bǔ)償電壓,，使電路僅需要一個(gè)控制信號(hào)即Ui，真正做到了壓控電流源的設(shè)計(jì)目的,。其中Rf為電位器,，用以調(diào)節(jié)Ui和VREF之間的比例關(guān)系。
    測(cè)試圖5電路時(shí)先將Ui設(shè)置在中間值,，如4 V,，調(diào)節(jié)Rf使輸出電流值與Ui精確對(duì)應(yīng)，接著調(diào)節(jié)Ui在0~15 V之間變化,，記錄VREF和Io的值,，如表5所示。在較小量程內(nèi)（如0.1 mA~7 mA）絕對(duì)誤差可以限定在10 ?滋A以內(nèi),；當(dāng)Ui在0~11 V變化時(shí),，絕對(duì)誤差可以保證在50 μA以內(nèi),電路具有很好的輸出精度。

    表6所示為對(duì)電路進(jìn)行帶載能力和頻率響應(yīng)測(cè)試,，證明該電流源具有一定的帶載能力,。
    從圖6可知電路頻率特性較好,上限截至頻率為53 kHz?；究梢杂迷诘皖l測(cè)試環(huán)境中,。當(dāng)頻率要求比較高時(shí)，集成運(yùn)放可以改為寬帶集成運(yùn)放,。
    本文巧妙運(yùn)用Howland電流源電路及其延拓電路,，構(gòu)建壓控電流源，使電流源性能顯著提高,。由于圖5電路繼承了運(yùn)算放大器的優(yōu)良性能,，使該電流源具有精度高，輸出阻抗高,，頻率響應(yīng)好等特點(diǎn),。在兼有Howland電流源主要特征的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和補(bǔ)充,，使其性能更優(yōu),。該電路可以應(yīng)用在儀表放大器電流傳輸器、浮置阻抗變換器,、高性能模擬放大器等電路的設(shè)計(jì)中,，由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成化,，集成后的性能將更加優(yōu)越,，應(yīng)用前景廣闊,。
參考文獻(xiàn)
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