具有高精度和快速建立的大電流源

壓控電流源（VCCS）廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如醫(yī)療機(jī)械和工業(yè)自動(dòng)化。VCCS的直流精度、交流性能和驅(qū)動(dòng)能力在這些應(yīng)用中非常重要。本文分析了增強(qiáng)型Howland電流源（EHCS）電路的局限性，并展示了如何利用復(fù)合放大器拓?fù)鋵?duì)其進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)高精度和快速建立的±500 mA電流源。

增強(qiáng)型豪蘭電流源

圖1.豪蘭電流源電路。

圖1顯示了傳統(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，輸出電流將是恒定的。

圖2.增強(qiáng)型豪蘭電流源電路。

雖然較大的R2會(huì)降低電路的速度和精度，但在反饋路徑中插入緩沖器以形成增強(qiáng)的Howland電流源將消除這種情況，如圖2所示。所有電流流過(guò)R0通過(guò)進(jìn)入 RL.輸出電流由公式2計(jì)算。

如果 R1/R2 = R3/R4 = k，則公式更改為公式 3。輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，僅由輸入電壓控制。這是一個(gè)理想的VCCS。

性能分析

等式3基于理想系統(tǒng)。圖 3 顯示了 EHCS 的直流誤差分析模型。V操作系統(tǒng)IB+/IB– 是主放大器的輸入失調(diào)電壓和偏置電流。V奧斯布夫和我布布夫是緩沖器的輸入失調(diào)電壓和偏置電流。總輸出誤差可通過(guò)公式4計(jì)算。

圖3.失調(diào)電壓計(jì)算。

忽略增益電阻的失配，并考慮R1/R2= R3/R4= k， R1R2= R3R4.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。

取 R 的不匹配1/R2和 R3/R4考慮到，RL會(huì)影響輸出失調(diào)電流。最差的相對(duì)誤差如公式6所示。錯(cuò)誤取決于 RL/R0和 k。較小的負(fù)載電阻和較高的k將減小失調(diào)誤差。

我們還可以計(jì)算電路的溫度漂移，該溫度漂移來(lái)自放大器和電阻器。放大器的失調(diào)電壓和偏置電流隨工作溫度而變化。對(duì)于大多數(shù)CMOS輸入放大器，每升高10°C，偏置電流就會(huì)翻倍。 電阻器的漂移因不同類型的電阻器而異。例如，碳成分單元的TC約為1500 ppm / °C，而金屬膜和塊狀金屬電阻器的TC可以為1 ppm / °C。

選擇精密放大器有利于輸出電流的直流精度。但是，在精密放大器的選擇上存在許多限制。驅(qū)動(dòng)能力和交流性能不夠好。表1列出了一些常見(jiàn)的精密放大器。我們希望構(gòu)建一個(gè)建立時(shí)間為1 μs的±500 mA電流源。對(duì)于電流源，我們需要高驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于具有額外高建立時(shí)間的電流源，我們需要良好的交流性能。通常，精密放大器不提供這種規(guī)格組合，因?yàn)閴簲[率和帶寬不夠好。這需要從其他一些放大器中進(jìn)行選擇。

環(huán)境健康標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施

ADA4870是一款高速、高電壓、高驅(qū)動(dòng)容量放大器。它可以提供10 V至40 V的電源，輸出電流限制為1.2 A。對(duì)于大信號(hào)，其帶寬超過(guò)52 MHz，壓擺率高達(dá)2500 V/μs。所有這些規(guī)格使其非常適合快速建立和大電流源。圖4顯示了基于ADA4870的EHCS電路，該電路通過(guò)10 V輸入產(chǎn)生±500 mA輸出電流源。

圖4.基于ADA4870的EHCS電路。

在交流規(guī)范中，我們更關(guān)心建立時(shí)間、壓擺率、帶寬和噪聲。建立時(shí)間約為60 ns，帶寬約為18 MHz，如圖5所示。輸出電流壓擺率可以通過(guò)測(cè)量上升級(jí)和下降級(jí)的斜率來(lái)計(jì)算。正壓擺率和負(fù)壓擺率為+25 A/μs和–25 A/μs。噪聲性能顯示在輸出噪聲密度曲線中。在 1 kHz 時(shí)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，本電路的直流精度不好。表2顯示了不同的直流誤差源和貢獻(xiàn)。主要直流誤差來(lái)自 V操作系統(tǒng)和我B的 ADA4870。典型輸出電流失調(diào)約為11.06 mA，相對(duì)于500 mA全范圍，范圍誤差約為2.21%。

復(fù)合放大器拓?fù)?/p>

ADA4870等高驅(qū)動(dòng)放大器的直流參數(shù)會(huì)限制輸出電流精度，而高精度放大器的速度不足。在這里，我們可以將所有這些特性組合到一個(gè)具有復(fù)合放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路中。圖7顯示了由ADA4870和ADA4898-2組成的復(fù)合放大器增強(qiáng)型Howland電流源（CAEHCS）。

圖7.帶復(fù)合放大器的EHCS電路。

選擇ADA4898-2作為復(fù)合放大器，是因?yàn)樗哂谐錾慕涣骱椭绷餍阅堋Ｆ洙C3 dB帶寬為63 MHz。采用5 V輸出階躍時(shí)，0.1%的建立時(shí)間為90 ns，壓擺率高達(dá)55 V/μs。它還具有超低噪音。電壓噪聲密度為0.9 nV/√Hz，電流噪聲密度為2.4 pA/√Hz。至于直流規(guī)格，它的表現(xiàn)也很好。典型輸入失調(diào)電壓為20 μV，溫度漂移為1 μV/°C。偏置電流為0.1 μA。 表3顯示了CAEHCS的直流誤差。輸出電流失調(diào)降至0.121 mA，這意味著范圍誤差小于0.03%。

CAEHCS的交流性能如表4所示。由于復(fù)合放大器的環(huán)路延遲，建立時(shí)間和帶寬低于EHCS。由于ADA4898-2的低電流噪聲，CAEHCS輸出噪聲遠(yuǎn)低于EHCS輸出噪聲。如數(shù)據(jù)手冊(cè)所述，ADA4870的反相輸入電流噪聲密度為47 pA/√Hz。使用多個(gè)kΩ電阻時(shí)，產(chǎn)生的噪聲將比電壓噪聲（2.1 nV/√Hz）高得多。而CAEHCS的輸入電流噪聲密度為2.4 pA/√Hz。它將產(chǎn)生低得多的輸出噪聲。

最重要的是，CAEHCS大大提高了VCCS的直流精度，具有可比的驅(qū)動(dòng)容量和交流性能。此外，復(fù)合放大器有多種選擇，可滿足不同的要求。表5顯示了CAEHCS電路中不同放大器的性能。LT6275 是交流性能中最好的。其建立時(shí)間可在100 ns以內(nèi)，壓擺率高達(dá)15 A/μs。ADA4522-2等零漂移放大器適合輸出電流失調(diào)誤差約為0.002 mA的高精度應(yīng)用。

測(cè)試結(jié)果

基于ADA4898的EHCS和CAEHCS的性能如表6和圖8所示。

圖8.ADA4898-2的建立時(shí)間（CH1輸入，CH2輸出）。

CAEHCS 電路具有比 EHCS 電路更好的直流規(guī)格。其輸出電流失調(diào)為0.2 mA，而EHCS電路的輸出電流失調(diào)為10.9 mA。CAEHCS電路也具有良好的交流規(guī)格。兩者的建立時(shí)間均約為100 ns。EHCS電路的帶寬為18 MHz，CAEHCS電路的帶寬為8 MHz。

基于ADA4522-2和LT6275的CAEHCS性能如表7所示。ADA4522-2版本的輸出失調(diào)誤差低于0.04 mA。LT6275版本的建立時(shí)間約為60 ns，輸出電流轉(zhuǎn)換速率高達(dá)16.6 A/μs，如圖9所示。

圖9.LT6275 的建立時(shí)間 （CH1 輸入、CH2 輸出）。

散熱考慮

VCCS的輸出電流可達(dá)幾百毫安。整個(gè)功耗可以是幾瓦。如果輸出效率不好，零件的溫度會(huì)迅速上升。熱阻（θ賈） 的 ADA4870 不帶水頭灌電流，溫度可達(dá) 15.95°C/W。溫升可以使用公式7計(jì)算。

R 的值0會(huì)影響ADA4870的功耗。表8顯示了不同R下的溫升0選擇在 ±20 V 電源下。當(dāng)R越大時(shí)，溫升會(huì)大大降低0被使用。因此，較大的R0建議降低溫升。

結(jié)論

結(jié)合高驅(qū)動(dòng)放大器和高精度放大器的CAEHCS電路可在VCCS應(yīng)用中提供出色的交流和直流性能以及大輸出容量。本電路建議將ADA4870與ADA4898、LT6275和ADA4522結(jié)合使用。

審核編輯：郭婷