《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Howland電流源的精密壓控電流源
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第9期
陳笑風(fēng),, 杜 磊,, 趙柏樹
湖北大學(xué) 物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院,,湖北 武漢430062
摘要: 設(shè)計一種基于Howland電流源電路的精密壓控電流源,,論述了該精密壓控電流源的原理,。該電路以V/I轉(zhuǎn)換電路作為核心,,Howland電流源做為誤差補(bǔ)償電路,,進(jìn)一步提高了電流源的精度,,使絕對誤差仿真值達(dá)到nA級,實際電路測量值絕對誤差達(dá)到?滋A級,,得到高精度的壓控電流源,。仿真和實驗測試均證明該方案是可行的。
中圖分類號: TM919; TN710
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)09-0071-04
Precision voltage controlled current source based on Howland
Chen Xiaofeng,, Du Lei,, Zhao Baishu
Faculty of Physics and Electronics,Hubei University,,Wuhan 430062,,China
Abstract: Based on the Howland current source circuit, this article designs one kind of the high precision voltage controlled current source and discusses the principle of it. Using the V/I conversion circuit as the core of the design circuit and Howland current source circuit as error compensation circuit, this circuit can get the high precision voltage controlled current source, which further improves the accuracy of current sources. The absolute error value of simulation can reach a nA level and the actual circuit reaches an ?滋A level. The simulation and the experiment test prove this plan is feasible.
Key words : Howland current source;positive feedback; voltage controlled current source,;Multisim

    電流源常常用于測試其他設(shè)備,,用以驅(qū)動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)定測試條件[1],。直流電流源還可以精確測量低電阻阻值,。電流源在各個領(lǐng)域的廣泛使用激發(fā)起人們對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,,再使用通用集成運算放大器和電阻構(gòu)建壓控電流源的實驗測試電路,并給出精度,、輸出阻抗以及頻率響應(yīng)特性等實驗測試結(jié)果,。


    在Multisim10.0的環(huán)境下對Howland電流源電路進(jìn)行仿真,測試實際搭建的電路(測試過程中集成運放均用的是UA741CN),得到輸入電壓和輸出電流的對應(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)簡單,但是輸入和輸出反相,,不能滿足設(shè)計需要,。為解決這個問題,,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,但實際電路的效果并不理想,,輸出電流的精度較差,。這是因為仿真過程中數(shù)據(jù)是理論值,運放參數(shù)被理想化,而實際的運放都不理想,,Avd,、Rid、KCMR并非無窮大,,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)換電路仿真時的絕對誤差在μA級,但實際電路的絕對誤差則接近mA級,,基本不能滿足應(yīng)用需求,。故兩個電路在實際的高精度壓控電流源中都不實用。
    為了提高輸出精度,,本文引入誤差補(bǔ)償?shù)乃枷?。通過對比、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,,使實際輸出電流的絕對誤差達(dá)到μA級,。其中VREF為基準(zhǔn)電壓,作為Howland電流源的壓控端,,輸出一個小電流用以補(bǔ)償核心電路的誤差,。在實際電路中R0、R,、R7均要求為精密電阻,。其余阻值要匹配,否則會帶來很大的誤差[3],。
    在Multisim10.0的環(huán)境下對高精度電流源電路仿真,,對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,,電路的上限截止頻率達(dá)到600 kHz,,優(yōu)于運算放大器的單位增益帶寬積。當(dāng)采用CB工藝實現(xiàn)單片集成時,電路的性能會更好[4]。
3.2 高精度壓控電流源實際測試
    測試圖3電路時使輸入電壓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,。記錄下對應(yīng)的VREF值,,得到數(shù)據(jù)如表4所示。通過數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn),,當(dāng)Ui在0~9.5 V變化時,,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,而且簡化了控制方式,,在輸入控制電壓的同時引入補(bǔ)償電壓,,使電路僅需要一個控制信號即Ui,真正做到了壓控電流源的設(shè)計目的,。其中Rf為電位器,,用以調(diào)節(jié)Ui和VREF之間的比例關(guān)系。
    測試圖5電路時先將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)絕對誤差可以限定在10 ?滋A以內(nèi),;當(dāng)Ui在0~11 V變化時,,絕對誤差可以保證在50 μA以內(nèi),電路具有很好的輸出精度。

 

 

    表6所示為對電路進(jìn)行帶載能力和頻率響應(yīng)測試,,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測試環(huán)境中,。當(dāng)頻率要求比較高時,集成運放可以改為寬帶集成運放,。
    本文巧妙運用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,。在兼有Howland電流源主要特征的同時,對其進(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)計中,,由于電路結(jié)構(gòu)簡單,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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[2] 秦玲,賴青貴,張良. 基于運算放大器的壓控恒流源[J]. 強(qiáng)激光與粒子束,2010,22(3):553-556.
[3] 楊永輝,顏曉嬿,郭恒. 高精度工頻恒流源設(shè)計[J].電測與儀表,2009,46(10):72-75.
[4] YING J H, FANG C, ZHANG J Y. Design of temperature  independent current reference based on superposition technology[J]. Microelectronics & Computer,,2008,,25 (3):114-118.

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