基于Howland電流源的精密壓控電流源

陳笑風(fēng)，杜 磊，趙柏樹

（湖北大學(xué) 物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430062）

電流源常常用于測(cè)試其他設(shè)備，用以驅(qū)動(dòng)電流傳感器或其他器材，提供二晶體管或三極管的偏置,或者設(shè)定測(cè)試條件[1]。直流電流源還可以精確測(cè)量低電阻阻值。電流源在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用激發(fā)起人們對(duì)恒流源的研究更加深入化和多樣化。恒流源在加速器中的使用是加速器結(jié)構(gòu)改善的一個(gè)標(biāo)志[2]。因此如何提高電流源的精度和拓展其應(yīng)用電路，一直是專業(yè)人士熱衷的研究課題。本文設(shè)計(jì)了一種基于Howland電流源電路和V/I轉(zhuǎn)換電路（即其延拓電路）的組合式精密壓控電流源。先通過仿真手段研究Howland電流源電路及其變形電路的互補(bǔ)組合式的電流特性，再使用通用集成運(yùn)算放大器和電阻構(gòu)建壓控電流源的實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路，并給出精度、輸出阻抗以及頻率響應(yīng)特性等實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

1 Howland電流源的電壓/電流轉(zhuǎn)換特性

設(shè)集成運(yùn)放為理想運(yùn)放，并根據(jù)集成運(yùn)放虛短和虛斷的理論，在圖1中若

圖1所示電路不僅引入了負(fù)反饋，同時(shí)也引入了正反饋。若負(fù)載減小，因電路內(nèi)阻的存在，一方面Io將增大，另一方面Up將下降，進(jìn)而使Uo下降，Io將隨之減小。從而使得Io僅受UI控制，與負(fù)載無關(guān)，達(dá)到穩(wěn)流目的。

在Multisim10.0的環(huán)境下對(duì)Howland電流源電路進(jìn)行仿真，測(cè)試實(shí)際搭建的電路（測(cè)試過程中集成運(yùn)放均用的是UA741CN）,得到輸入電壓和輸出電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

2 Howland電流源延拓電路即(V/I轉(zhuǎn)換電路)

Howland電流源電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是輸入和輸出反相，不能滿足設(shè)計(jì)需要。為解決這個(gè)問題，將其延拓即得圖2所示的V/I轉(zhuǎn)換電路。

設(shè)集成運(yùn)放為理想運(yùn)放，在圖 2中，A1、A2均引入了負(fù)反饋，前者構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路，后者構(gòu)成電壓跟隨器。根據(jù)虛短、虛斷原理，若取R1=R2=R3=R4=R，則出電流與Howland電流源僅相差一個(gè)負(fù)號(hào)。

仿真及實(shí)測(cè)得到的輸入電壓和輸出電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表1和表2均表明仿真效果很好，但實(shí)際電路的效果并不理想，輸出電流的精度較差。這是因?yàn)榉抡孢^程中數(shù)據(jù)是理論值，運(yùn)放參數(shù)被理想化，而實(shí)際的運(yùn)放都不理想，Avd、Rid、KCMR并非無窮大，Rod也不為零， 故 Io和Ui的關(guān)系不能嚴(yán)格滿足理論公式。所以僅有單純的Howland電流源電路或V/I轉(zhuǎn)換電路并不能構(gòu)成精密壓控電流源。

3 高精度壓控電流源

3.1 理論分析及仿真

由本文 1、2節(jié)看出：Howland電流源和 V/I轉(zhuǎn)換電路仿真時(shí)的絕對(duì)誤差在μA級(jí)，但實(shí)際電路的絕對(duì)誤差則接近mA級(jí)，基本不能滿足應(yīng)用需求。故兩個(gè)電路在實(shí)際的高精度壓控電流源中都不實(shí)用。

為了提高輸出精度，本文引入誤差補(bǔ)償?shù)乃枷?。通過對(duì)比、分析上文得到的數(shù)據(jù)，將Howland電流源作為誤差補(bǔ)充電路引入到V/I轉(zhuǎn)換電路中，得到圖3所示高精度壓控電流源電路。該電路極大地改善了電路的精度，使實(shí)際輸出電流的絕對(duì)誤差達(dá)到μA級(jí)。其中VREF為基準(zhǔn)電壓，作為Howland電流源的壓控端，輸出一個(gè)小電流用以補(bǔ)償核心電路的誤差。在實(shí)際電路中R0、R、R7均要求為精密電阻。其余阻值要匹配，否則會(huì)帶來很大的誤差[3]。

在Multisim10.0的環(huán)境下對(duì)高精度電流源電路仿真，對(duì)Ui進(jìn)行參數(shù)掃描分析得到表3所示結(jié)果。

表3中數(shù)據(jù)表明圖3電路極大的提高了輸出精度，表明該電路理論上可行。

對(duì)圖3電路進(jìn)行交流分析可知，該高精度電流源具有較好的頻率響應(yīng)，圖4給出了其頻率響應(yīng)曲線，包括有幅度頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)。由圖可見，電路的上限截止頻率達(dá)到600 kHz，優(yōu)于運(yùn)算放大器的單位增益帶寬積。當(dāng)采用CB工藝實(shí)現(xiàn)單片集成時(shí),電路的性能會(huì)更好[4]。

表1 Howland電流源電路仿真及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 V/I轉(zhuǎn)換電路仿真及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表3 高精度壓控電流源仿真數(shù)據(jù)

表4 高精度壓控電流源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 高精度壓控電流源實(shí)際測(cè)試

測(cè)試圖3電路時(shí)使輸入電壓Ui在0～15 V之間變化，調(diào)節(jié)VREF的輸入電壓（為負(fù)），使輸出電流精確跟隨Ui變化，達(dá)到精確壓控目的。記錄下對(duì)應(yīng)的VREF值，得到數(shù)據(jù)如表4所示。通過數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ui在0～9.5 V變化時(shí)，在保證電壓精密控制Io的前提下，VREF和 Ui的關(guān)系為線性關(guān)系：VREF=-0.103 4Ui-0.006 8 V,其中 Ui≤9.50 V，線性擬合度 R2=0.999 4。

VREF和Ui之間存在極好的線性關(guān)系，故在Ui和 VREF之間引入反相比例運(yùn)算電路，如圖5所示。不僅很好地解決了Ui與誤差補(bǔ)償電路的基準(zhǔn)電壓VREF之間的關(guān)系，而且簡(jiǎn)化了控制方式，在輸入控制電壓的同時(shí)引入補(bǔ)償電壓，使電路僅需要一個(gè)控制信號(hào)即Ui，真正做到了壓控電流源的設(shè)計(jì)目的。其中Rf為電位器，用以調(diào)節(jié)Ui和VREF之間的比例關(guān)系。

測(cè)試圖5電路時(shí)先將Ui設(shè)置在中間值，如4 V，調(diào)節(jié)Rf使輸出電流值與 Ui精確對(duì)應(yīng)，接著調(diào)節(jié)Ui在0～15 V之間變化，記錄VREF和Io的值，如表5所示。在較小量程內(nèi)（如 0.1 mA～7 mA）絕對(duì)誤差可以限定在 10 μA以內(nèi)；當(dāng) Ui在 0～11 V變化時(shí)，絕對(duì)誤差可以保證在 50 μA以內(nèi),電路具有很好的輸出精度。

表6所示為對(duì)電路進(jìn)行帶載能力和頻率響應(yīng)測(cè)試，證明該電流源具有一定的帶載能力。

表5 實(shí)際高精度壓控電流源Ui-Io關(guān)系表

表6 實(shí)際高精度電流源帶載能力表

從圖6可知電路頻率特性較好,上限截至頻率為53 kHz?；究梢杂迷诘皖l測(cè)試環(huán)境中。當(dāng)頻率要求比較高時(shí)，集成運(yùn)放可以改為寬帶集成運(yùn)放。

本文巧妙運(yùn)用Howland電流源電路及其延拓電路，構(gòu)建壓控電流源，使電流源性能顯著提高。由于圖5電路繼承了運(yùn)算放大器的優(yōu)良性能，使該電流源具有精度高，輸出阻抗高，頻率響應(yīng)好等特點(diǎn)。在兼有Howland電流源主要特征的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和補(bǔ)充，使其性能更優(yōu)。該電路可以應(yīng)用在儀表放大器電流傳輸器、浮置阻抗變換器、高性能模擬放大器等電路的設(shè)計(jì)中，由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成化，集成后的性能將更加優(yōu)越，應(yīng)用前景廣闊。

[1]PEASE R A.Pease,A Comprehensive Study of the Howland current pump[EB].National Semiconductor Application Note,2008.

[2]秦玲,賴青貴,張良.基于運(yùn)算放大器的壓控恒流源[J].強(qiáng)激光與粒子束,2010,22(3):553-556.

[3]楊永輝,顏曉嬿,郭恒.高精度工頻恒流源設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2009,46(10):72-75.

[4]YING J H,FANG C,ZHANG J Y.Design of temperature independent current reference based on superposition technology[J].Microelectronics ＆ Computer，2008，25(3):114-118.