關(guān)于簡(jiǎn)單精確的雙向電流源的相關(guān)設(shè)計(jì)

接地負(fù)載用的雙向電流源結(jié)構(gòu)總是較為復(fù)雜。改良型Howland電流泵是實(shí)現(xiàn)該功能最常用的選擇，它要求使用仔細(xì)匹配的電阻或電阻網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)高的精確度和性能。

接地負(fù)載用的雙向電流源結(jié)構(gòu)總是較為復(fù)雜。圖1所示的改良型Howland電流泵是實(shí)現(xiàn)該功能最常用的選擇。Howland要求使用仔細(xì)匹配的電阻或電阻網(wǎng)絡(luò)。也可以使用精密差分放大器，但為實(shí)現(xiàn)所需性能，可能仍需要進(jìn)行一些調(diào)整。

圖1：經(jīng)典的改良型Howland用于雙向電流輸出至接地負(fù)載。該電路要求進(jìn)行嚴(yán)格的元件值選擇和匹配，以實(shí)現(xiàn)高的精確度和性能。

圖2所示電路（本文中我們稱其為簡(jiǎn)單電流源）只需一個(gè)精密電阻就可實(shí)現(xiàn)相同功能。誠(chéng)如第一段中指出的那樣，復(fù)雜性總是存在的，此處需要增加一個(gè)容易獲得且成本較低的隔離式雙電源。

圖2：通過(guò)浮動(dòng)輸出級(jí)的電源，這個(gè)簡(jiǎn)單電流源電路利用單個(gè)電阻就能實(shí)現(xiàn)精確度。隔離式雙輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器有眾多不同功率的型號(hào)，通過(guò)訪問(wèn)分銷商網(wǎng)站可以很容易地查到。

圖2所示電路描述了在輸出端使用簡(jiǎn)單的MOSFET（如果愿意，可使用雙極）緩沖器的運(yùn)算放大器。我們可以從接地電阻的MOSFET源獲得反饋。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這與用于提供電流源的經(jīng)典單向運(yùn)算放大器/MOSFET組合類似。唯一復(fù)雜的就是需要在MOSFET漏極上實(shí)現(xiàn)電源浮動(dòng)，同時(shí)從電源的中心抽頭獲得輸出。運(yùn)算放大器在單位增益配置中使用時(shí)，增益精確度大體上是單電流檢測(cè)電阻的函數(shù)（盡管在精確度方程中增加了兩個(gè)電阻，但仍可獲得增益）。

除了精確度優(yōu)勢(shì)之外，該電路還具有更好的頻率響應(yīng)和感性負(fù)載，因?yàn)樨?fù)載并不在反饋回路中，這與Howland電路是不同的。輸出MOSFET單向傳輸功能可隔離回路與負(fù)載，至少在超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍之前如此。相比之下，改良型Howland要求利用感性負(fù)載進(jìn)行大量補(bǔ)償，而且?guī)挄?huì)同時(shí)減少。

注意，圖2的簡(jiǎn)化電路缺乏MOSFET的A/B類偏置。對(duì)DC或低頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這可能并不是問(wèn)題。圖3中所測(cè)試的實(shí)際電路包含增加一個(gè)MOSFET和兩個(gè)電阻進(jìn)行A/B類偏置的VGS倍增器配置，以消除交越失真，因?yàn)檫€要用它測(cè)試瞬態(tài)響應(yīng)。

圖3：用于測(cè)試接地負(fù)載電流源的實(shí)際電路。該電路采用VGS倍增器Q3提供高頻瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試所需的A/B類偏置。Q1和Q2上的50?電源電阻可消除快速轉(zhuǎn)換中的MOSFET振鈴。

圖3中的回路進(jìn)行了精確度測(cè)試，然而Howland并未進(jìn)行精確度檢查，因?yàn)樗笫褂?個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑怠Ｎ覀兛梢赃@樣說(shuō)，任何一個(gè)電路最后都能夠提供高精確度，但是利用本文所述的電流源可大大簡(jiǎn)化任務(wù)。

測(cè)試結(jié)果

對(duì)Howland進(jìn)行精確度測(cè)試可能并不公平，因?yàn)镠owland精確度是與付出的努力相關(guān)的。這就是簡(jiǎn)單電流源所解決的問(wèn)題。我們可以這樣說(shuō)，兩種電路最后都能夠提供高精確度，但是利用簡(jiǎn)單電流源可大大簡(jiǎn)化任務(wù)。

用一個(gè)精度為0.1%的電阻RSENSE進(jìn)行精確度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果用輸出電流誤差圖表示。測(cè)試的目標(biāo)在于評(píng)估輸出電流范圍為+/-10mA時(shí)的性能。圖4繪出了輸出電流誤差與輸入電壓的關(guān)系圖。

圖4：圖3所示電路的輸出誤差（電流范圍為±10mA）。

為顯示驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)該電路的優(yōu)勢(shì)，我們將其與Howland進(jìn)行比較，兩個(gè)電路均驅(qū)動(dòng)一個(gè)50μH電感。圖5的原理圖說(shuō)明了如何將簡(jiǎn)單電流源重新配置為Howland電流源。在兩個(gè)電路中，我們用與50μH電感串聯(lián)的1?無(wú)感電阻來(lái)觀察輸出電流。

圖5：測(cè)試電路以比較簡(jiǎn)單電流源（上）與Howland（下）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過(guò)RTEST觀察輸出信號(hào)。

兩個(gè)電路出于不同原因都要求使用通過(guò)電感的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。就簡(jiǎn)單電流源來(lái)說(shuō)，輸出電容和負(fù)載電感需要使用一個(gè)緩沖器來(lái)控制振鈴。Howland也存在振鈴，大部分是由反饋回路中的電感所致。利用方波輸入，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)執(zhí)行了輸入補(bǔ)償。在兩個(gè)電路中，我們開(kāi)始使用通過(guò)電感的電阻，并減小阻值，直至過(guò)沖和振鈴消除。然后，采用一個(gè)電容，并降低電容值，直至過(guò)沖和振鈴開(kāi)始顯示備份。

頻率要盡可能高，為獲得類似波形，采用200 kHz頻率。圖6的Howland波形表明該頻率實(shí)際上超出了Howland的限制。

圖6：在200 kHz方波下驅(qū)動(dòng)至±10mA的Howland電流源實(shí)際上超出了其頻率響應(yīng)限制。消除過(guò)沖和振鈴所需的補(bǔ)償值采取四舍五入。

圖7：簡(jiǎn)單電流源表現(xiàn)出卓越的200 kHz方波性能，因?yàn)楦行载?fù)載并不是反饋回路的組成部分。由于輸出電容效應(yīng)，補(bǔ)償可消除振鈴。

可以更簡(jiǎn)單

如果你覺(jué)得圖2和圖3太復(fù)雜，并且你愿意犧牲部分性能，那么你可以選用圖4的原理圖作為最簡(jiǎn)單的方法。初看上去，一個(gè)明顯的考慮因素是，開(kāi)始使用運(yùn)算放大器電源引腳生成輸出，且其動(dòng)態(tài)范圍明顯受運(yùn)算放大器最低額定電源影響。使用CMOS運(yùn)算放大器時(shí)，靜態(tài)電流在軌間流動(dòng)，對(duì)輸出精確度影響不大，但雙極運(yùn)算放大器卻會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)百分點(diǎn)的誤差。雖然可以使用軌到軌旁路，但是旁路仍然是個(gè)問(wèn)題。作者已經(jīng)多次將該電路用作網(wǎng)絡(luò)分析器的電流輸出適配器，以測(cè)量運(yùn)算放大器的輸出阻抗。我們尚未對(duì)各種運(yùn)算放大器進(jìn)行測(cè)試，雖然許多運(yùn)算放大器可能會(huì)在本電路中表現(xiàn)良好，但仍會(huì)有一些運(yùn)算放大器表現(xiàn)欠佳。

模擬本電路的警告。并非所有運(yùn)算放大器spice模型都能夠正確模擬電源引腳中負(fù)載電流的流動(dòng)，而這是模擬本電路的一個(gè)必要特性。

圖8：這是本電流輸出電路最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，但是會(huì)降低輸出阻抗和限制輸出規(guī)格范圍。此外，還必須使用你選擇的運(yùn)算放大器來(lái)驗(yàn)證該方式，因?yàn)橐恍┻\(yùn)算放大器可能會(huì)由于電源浮動(dòng)而無(wú)法在本電路中正常運(yùn)行。