運(yùn)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,?！赌M對(duì)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(guò)浮動(dòng)負(fù)載或接地負(fù)載的恒流,。在壓力變送器和氣體探測(cè)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?yàn)樗梢则?qū)動(dòng)接地負(fù)載,。允許相對(duì)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(duì)于低成本,、低電流應(yīng)用，可以去除晶體管,，如《模擬對(duì)話》2009年第43卷第3期" 精密電流源的心臟：差動(dòng)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(dòng)接地負(fù)載,。
通過(guò)對(duì)改進(jìn)型Howland電流源進(jìn)行分析,，可以得出傳遞函數(shù)：
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(1)
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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?cè)O(shè)置R1 = R3和R2 + R5 = R4, 則方程簡(jiǎn)化為：
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(2)
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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(kù)中的總電阻數(shù)，請(qǐng)?jiān)O(shè)置R1 = R2 = R3 = R4?，F(xiàn)在,，公式1簡(jiǎn)化為：
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(3)
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如果R5 = RL，則公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：
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(4)
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此處的輸出電流僅取決于電阻R5,。
某些情況下,，輸入信號(hào)可能需要衰減。例如,，在處理10 V輸入信號(hào)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(qǐng)?jiān)O(shè)置R1 = R3 = 5R2 = 5R4?，F(xiàn)在，公式1簡(jiǎn)化為：
如果RL = 5R5 = 500 Ω,，則：
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(5)
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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(shí)際電阻從來(lái)都不是理想的,，每個(gè)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(qǐng)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(dòng)放大器（例如 AD8276，它具有更好的電阻匹配,，而且更加經(jīng)濟(jì)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(%)
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電阻容差/電阻變化 |
5 |
1 |
0.5 |
0.1 |
0.05 |
0.01 |
0 |
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R1/R2/R3/R4 |
110.11 |
10.98 |
5.07 |
1.18 |
0.69 |
0.30 |
0.20 |
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R5 |
5.05 |
1.19 |
0.70 |
0.30 |
0.25 |
0.21 |
0.20 |
|
RL |
0.21 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
結(jié)論
在設(shè)計(jì)改進(jìn)型Howland電流源時(shí),，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(huì)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(huì)影響精度。請(qǐng)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè),，確定放大器是否滿足電路要求,。可以使用 Multisim 進(jìn)行仿真,，了確這些規(guī)格對(duì)精度產(chǎn)生的影響,。集成差動(dòng)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(jì)高效地 實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的電流源。