運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，它們可以提供通過浮動負(fù)載或接地負(fù)載的恒流,。在壓力變送器和氣體探測器等工業(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,，因為它可以驅(qū)動接地負(fù)載。允許相對較高電流的晶體管可以用MOSFET取代,，以便達(dá)到更高的電流,。對于低成本、低電流應(yīng)用,，可以去除晶體管,，如《模擬對話》2009年第43卷第3期" 精密電流源的心臟：差動放大器"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)動接地負(fù)載。

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

(1)

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，但如果我們設(shè)置R1 = R3和R2 + R5 = R4, 則方程簡化為：

(2)

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
為減少器件庫中的總電阻數(shù),，請設(shè)置R1 = R2 = R3 = R4。現(xiàn)在,，公式1簡化為：

(3)

如果R5 = RL,，則公式進(jìn)一步簡化為：

(4)

此處的輸出電流僅取決于電阻R5。

某些情況下,，輸入信號可能需要衰減,。例如，在處理10 V輸入信號且R5 = 100 Ω的情況下,，輸出電流為100 mA,。要獲得20 mA的輸出電流，請設(shè)置R1 = R3 = 5R2 = 5R4?，F(xiàn)在,，公式1簡化為：

如果RL = 5R5 = 500 Ω，則：

(5)

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
實際電阻從來都不是理想的,，每個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放大器（例如 AD8276,，它具有更好的電阻匹配，而且更加經(jīng)濟高效,。

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)計改進(jìn)型Howland電流源時，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)電流也會影響精度。請查閱數(shù)據(jù)手冊,，確定放大器是否滿足電路要求,?？梢允褂?nbsp;Multisim 進(jìn)行仿真，了確這些規(guī)格對精度產(chǎn)生的影響,。集成差動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)濟高效地 實現(xiàn)精確穩(wěn)定的電流源,。