文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)09-0071-04
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)
[1] PEASE R A. Pease, A Comprehensive Study of the Howland current pump[EB]. National Semiconductor Application Note, 2008.
[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.