《電子技術應用》
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選擇電阻以最大程度減少接地負載電流源誤差

2013-06-20
作者:David Guo

運算放大器通常用于在工業流程控制、科學儀器和醫療設備等各種應用中產生高性能電流源。《模擬對話》1967年第1卷第1期上發表的" 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載或接地負載的恒流。在壓力變送器和氣體探測器等工業應用中,這些電路廣泛應用于提供4-mA至20-mA或0-mA至20-mA的電流。

圖1所示的改進型Howland電流源非常受歡迎,因為它可以驅動接地負載。允許相對較高電流的晶體管可以用MOSFET取代,以便達到更高的電流。對于低成本、低電流應用,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. 改進型Howland電流源驅動接地負載。

通過對改進型Howland電流源進行分析,可以得出傳遞函數:

(1)

提示1:設置R2 + R5 = R4

在公式1中,負載電阻影響輸出電流,但如果我們設置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。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:設置RL = n × R5
為減少器件庫中的總電阻數,請設置R1 = R2 = R3 = R4。現在,公式1簡化為:

(3)

如果R5 = RL,則公式進一步簡化為:

(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,請設置R1 = R3 = 5R2 = 5R4。現在,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,可以改進電流精度

大多數情況下,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系。要達到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。在輸入電壓設置為0.1 V的情況下,輸出電流應該為1 mA。表1顯示由于不同電阻容差而導致的輸出電流誤差。為達到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(%)

電阻容差/電阻變化

5

1

0.5

0.1

0.05

0.01

0

R1/R2/R3/R4

110.11

10.98

5.07

1.18

0.69

0.30

0.20

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


結論
在設計改進型Howland電流源時,需要選擇外部電阻,使得輸出電流不受負載電阻的影響。電阻容差會影響精度,必須在精度和成本之間權衡考慮。放大器的失調電壓和失調電流也會影響精度。請查閱數據手冊,確定放大器是否滿足電路要求。可以使用 Multisim 進行仿真,了確這些規格對精度產生的影響。集成差動放大器具有較低的失調電壓、失調電壓漂移、增益誤差和增益漂移,可以經濟高效地 實現精確穩定的電流源。

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