電壓控制型電流源(VCCs)廣泛用于醫(yī)療器械、工業(yè)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。VCCs 的直流精度、交流性能和驅(qū)動(dòng)能力在這些應(yīng)用中至關(guān)重要。本文分析了增強(qiáng)型 Howland 電流源(EHCS)電路的局限性，并闡述了如何利用復(fù)合放大器拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)高精度、快速建立的±500 mA電流源。

增強(qiáng)型Howland電流源

圖1所示為傳統(tǒng)的Howland電流源(HCS)電路，而公式1顯示了如何計(jì)算輸出電流。如果R2足夠大，輸出電流將保持恒定。

圖1.Howland電流源電路

雖然較大的R2會(huì)降低電路速度與精度，但在反饋路由中插入一個(gè)緩沖器，形成一個(gè)增強(qiáng)型Howland電流源可以解決這一問題，如圖2所示。所有通過R0的電流都流入RL。輸出電流由公式2計(jì)算。

圖2.增強(qiáng)型 Howland 電流源電路。

如果R1/R2 = R3/R4 = k，則該公式變?yōu)楣?。輸出電流與負(fù)載無關(guān)，僅受輸入電壓控制。這是一個(gè)理想的VCCS。

性能分析

公式3基于一個(gè)理想系統(tǒng)。圖3顯示了EHCS的直流誤差分析模型。VOS和IB+/IB–是主放大器的輸入失調(diào)電壓和偏置電流。VOSbuf和IBbuf是緩沖器的輸入失調(diào)電壓和偏置電流。總輸出誤差可以通過公式4計(jì)算。

圖3.失調(diào)電壓計(jì)算。

忽略增益電阻的不匹配，并考慮R1/R2 = R3/R4= k，R1//R2= R3//R4。輸出失調(diào)電流取決于放大器的失調(diào)和偏置電流，如公式5所示。

考慮R1/R2和R3/R4的不匹配，RL將會(huì)影響輸出失調(diào)電流。最差相對誤差如公式6所示。這個(gè)誤差取決于RL/R0和k。減小負(fù)載電阻并提高k將減少失調(diào)誤差。

我們還可以計(jì)算電路的溫度漂移，它來自放大器和電阻。放大器的失調(diào)電壓和偏置電流隨工作溫度而變化。對于大多數(shù)CMOS輸入放大器而言，溫度每升高10℃，偏置電流便增加一倍。不同類型電阻的漂移變化很大。例如，碳膜電阻的TC約為1500 ppm/℃，而金屬膜和體金屬電阻的TC可能是1 ppm/℃。

選擇精密放大器有利于輸出電流的直流精度。然而，精密放大器的選擇也存在許多局限性。其驅(qū)動(dòng)能力和交流性能都不夠好。表1列出了一些常見的精密放大器。

表1.精密放大器參數(shù)

我們希望構(gòu)建一個(gè)±500 mA的電流源，建立時(shí)間為1 μs。對于電流源，我們需要高驅(qū)動(dòng)能力。對于還要具有快速建立時(shí)間的電流源，我們需要出色的交流性能。一般來說，精密放大器無法提供這兩個(gè)規(guī)范的組合，因?yàn)槠鋲簲[率和帶寬不夠好。這需要從其他類型的放大器中進(jìn)行選擇。

EHCS 實(shí)現(xiàn)

ADA4870 是一款高速、高電壓、高驅(qū)動(dòng)能力的放大器。它可提供10 V至40 V電壓，輸出電流限制為1.2 A。大信號下的帶寬超過52 MHz和壓擺率高達(dá)2500 V/μs。所有這些規(guī)格使它很適合快速建立和大電流源。圖4顯示了基于ADA4870的EHCS電路，它通過10 V輸入可生成一個(gè)±500 mA輸出電流源。

圖4. 基于ADA4870的EHCS電路。

在交流規(guī)格中，我們更關(guān)心建立時(shí)間、壓擺率、帶寬和噪聲。如圖5 所示，建立時(shí)間約為60 ns，帶寬約為18 MHz。輸出電流壓擺率可以 通過測量上升階段和下降階段的斜率來計(jì)算。正負(fù)壓擺率分別為 +25 A/μs和–25 A/μs。輸出噪聲密度曲線顯示了噪聲性能，在1 kHz時(shí) 大約為24 nV/√Hz。

圖5. 基于ADA4870的EHCS建立時(shí)間和頻率響應(yīng)。

圖6. 基于ADA4870的EHCS輸出噪聲密度曲線。

由于輸入失調(diào)電壓和偏置電流較大，該電路的直流精度不高。表2顯示了不同的直流誤差源與貢獻(xiàn)。主要的直流誤差來自ADA4870的Vos和IB。典型輸出電流失調(diào)約為11.06 mA，這相當(dāng)于500 mA全程時(shí)2.21%左右的誤差范圍。