具有高精度和快速建立的大电流源

压控电流源（VCCS）广泛应用于许多领域，如医疗机械和工业自动化。VCCS的直流精度、交流性能和驱动能力在这些应用中非常重要。本文分析了增强型Howland电流源（EHCS）电路的局限性，并展示了如何利用复合放大器拓扑对其进行改进，以实现高精度和快速建立的±500 mA电流源。

增强型豪兰电流源

图1.豪兰电流源电路。

图1显示了传统的Howland电流源（HCS）电路，而公式1显示了如何计算输出电流。如果R2足够大，输出电流将是恒定的。

 

图2.增强型豪兰电流源电路。

虽然较大的R2会降低电路的速度和精度，但在反馈路径中插入缓冲器以形成增强的Howland电流源将消除这种情况，如图2所示。所有电流流过R0通过进入 RL.输出电流由公式2计算。

如果 R1/R2 = R3/R4 = k，则公式更改为公式 3。输出电流与负载无关，仅由输入电压控制。这是一个理想的VCCS。

性能分析

等式3基于理想系统。图 3 显示了 EHCS 的直流误差分析模型。V操作系统IB+/IB– 是主放大器的输入失调电压和偏置电流。V奥斯布夫和我布布夫是缓冲器的输入失调电压和偏置电流。总输出误差可通过公式4计算。

 

图3.失调电压计算。

忽略增益电阻的失配，并考虑R1/R2= R3/R4= k， R1R2= R3R4.输出失调电流取决于放大器的失调和偏置电流，如公式5所示。

取 R 的不匹配1/R2和 R3/R4考虑到，RL会影响输出失调电流。最差的相对误差如公式6所示。错误取决于 RL/R0和 k。较小的负载电阻和较高的k将减小失调误差。

我们还可以计算电路的温度漂移，该温度漂移来自放大器和电阻器。放大器的失调电压和偏置电流随工作温度而变化。对于大多数CMOS输入放大器，每升高10°C，偏置电流就会翻倍。 电阻器的漂移因不同类型的电阻器而异。例如，碳成分单元的TC约为1500 ppm / °C，而金属膜和块状金属电阻器的TC可以为1 ppm / °C。

 

设备	V操作系统最大值 （μV）	IB 最大值 （pA）	总频 （兆赫）	压摆率 （V/μs）	国际标准表 （毫安）
ADA4522	5	150	3	1.3	22
ADA4077	25	1500	4	1	22
LTC2057HV	4	120	2	1.2	26
LT1012	25	100	1	0.2	13

 

选择精密放大器有利于输出电流的直流精度。但是，在精密放大器的选择上存在许多限制。驱动能力和交流性能不够好。表1列出了一些常见的精密放大器。我们希望构建一个建立时间为1 μs的±500 mA电流源。对于电流源，我们需要高驱动能力。对于具有额外高建立时间的电流源，我们需要良好的交流性能。通常，精密放大器不提供这种规格组合，因为压摆率和带宽不够好。这需要从其他一些放大器中进行选择。

环境健康标准实施

ADA4870是一款高速、高电压、高驱动容量放大器。它可以提供10 V至40 V的电源，输出电流限制为1.2 A。对于大信号，其带宽超过52 MHz，压摆率高达2500 V/μs。所有这些规格使其非常适合快速建立和大电流源。图4显示了基于ADA4870的EHCS电路，该电路通过10 V输入产生±500 mA输出电流源。

图4.基于ADA4870的EHCS电路。

在交流规范中，我们更关心建立时间、压摆率、带宽和噪声。建立时间约为60 ns，带宽约为18 MHz，如图5所示。输出电流压摆率可以通过测量上升级和下降级的斜率来计算。正压摆率和负压摆率为+25 A/μs和–25 A/μs。噪声性能显示在输出噪声密度曲线中。在 1 kHz 时约为 24 nV/√Hz。

图5.基于ADA4870的EHCS建立时间和频率响应

图6.基于ADA4870的EHCS输出噪声密度曲线。

由于输入失调电压和偏置电流较大，本电路的直流精度不好。表2显示了不同的直流误差源和贡献。主要直流误差来自 V操作系统和我B的 ADA4870。典型输出电流失调约为11.06 mA，相对于500 mA全范围，范围误差约为2.21%。

 

错误源	参数（典型值）	误差输出（毫安）	百分比
兴业银行	–12 μA	6.00	54.2%
IB+	+9 μA	4.50	40.7%
V操作系统	1 毫伏	0.55	5.0%
我布布夫	–0.1 μA	0.00	0.0%
V奥斯布夫	0.02毫伏	0.01	0.1%
总		11.06	100%

 

复合放大器拓扑

ADA4870等高驱动放大器的直流参数会限制输出电流精度，而高精度放大器的速度不足。在这里，我们可以将所有这些特性组合到一个具有复合放大器拓扑结构的电路中。图7显示了由ADA4870和ADA4898-2组成的复合放大器增强型Howland电流源（CAEHCS）。

图7.带复合放大器的EHCS电路。

选择ADA4898-2作为复合放大器，是因为它具有出色的交流和直流性能。其–3 dB带宽为63 MHz。采用5 V输出阶跃时，0.1%的建立时间为90 ns，压摆率高达55 V/μs。它还具有超低噪音。电压噪声密度为0.9 nV/√Hz，电流噪声密度为2.4 pA/√Hz。至于直流规格，它的表现也很好。典型输入失调电压为20 μV，温度漂移为1 μV/°C。偏置电流为0.1 μA。 表3显示了CAEHCS的直流误差。输出电流失调降至0.121 mA，这意味着范围误差小于0.03%。

 

错误源	参数（典型值）	误差输出（毫安）	百分比
IB–	–0.1 μA	0.050	41.3%
IB+	+0.1 μA	0.0050	41.3%
V操作系统	20 毫伏	0.011	9.1%
我布布夫	–0.1 μA	0.000	0.1%
V奥斯布夫	20 μV	0.01	8.2%
总		0.121	100%

 

CAEHCS的交流性能如表4所示。由于复合放大器的环路延迟，建立时间和带宽低于EHCS。由于ADA4898-2的低电流噪声，CAEHCS输出噪声远低于EHCS输出噪声。如数据手册所述，ADA4870的反相输入电流噪声密度为47 pA/√Hz。使用多个kΩ电阻时，产生的噪声将比电压噪声（2.1 nV/√Hz）高得多。而CAEHCS的输入电流噪声密度为2.4 pA/√Hz。它将产生低得多的输出噪声。

 

参数	中国社会健康协会	环境健康标准
建立时间（纳秒）	200	60
压摆率 （A/μs）	7.7	25
带宽（兆赫）	6	18
1 kHz 时的输出噪声密度 （nV/√Hz）	4	24

 

最重要的是，CAEHCS大大提高了VCCS的直流精度，具有可比的驱动容量和交流性能。此外，复合放大器有多种选择，可满足不同的要求。表5显示了CAEHCS电路中不同放大器的性能。LT6275 是交流性能中最好的。其建立时间可在100 ns以内，压摆率高达15 A/μs。ADA4522-2等零漂移放大器适合输出电流失调误差约为0.002 mA的高精度应用。

 

主放大器	环境健康标准	中国社会健康协会
ADA4898	好	好
LT6275	好	非常好
ADA4522	非常好	不好

 

测试结果

基于ADA4898的EHCS和CAEHCS的性能如表6和图8所示。

 

参数		环境健康标准	中国社会健康协会
直流参数	输出电流偏移 （mA）	10.9	0.2
交流参数	建立时间（纳秒）	100	100
	压摆率 （A/μs）	22.2	12.6
	带宽（兆赫）	18	8

 

图8.ADA4898-2的建立时间（CH1输入，CH2输出）。

CAEHCS 电路具有比 EHCS 电路更好的直流规格。其输出电流失调为0.2 mA，而EHCS电路的输出电流失调为10.9 mA。CAEHCS电路也具有良好的交流规格。两者的建立时间均约为100 ns。EHCS电路的带宽为18 MHz，CAEHCS电路的带宽为8 MHz。

基于ADA4522-2和LT6275的CAEHCS性能如表7所示。ADA4522-2版本的输出失调误差低于0.04 mA。LT6275版本的建立时间约为60 ns，输出电流转换速率高达16.6 A/μs，如图9所示。

 

主放大器	艾欧斯 （毫安）	建立时间（纳秒）	压摆率 （A/μs）	带宽（兆赫）
ADA4898	0.2	100	12.6	10
LT6275	0.8	60	16.6	11
ADA4522	0.04	1000	0.4	1.2

 

图9.LT6275 的建立时间 （CH1 输入、CH2 输出）。

散热考虑

VCCS的输出电流可达几百毫安。整个功耗可以是几瓦。如果输出效率不好，零件的温度会迅速上升。热阻（θ贾） 的 ADA4870 不带水头灌电流，温度可达 15.95°C/W。温升可以使用公式7计算。

R 的值0会影响ADA4870的功耗。表8显示了不同R下的温升0选择在 ±20 V 电源下。当R越大时，温升会大大降低0被使用。因此，较大的R0建议降低温升。

 

RL/Ω	功耗 （W）		温升（°C）
	R0= 2 Ω	R0= 10 Ω	R0= 2 Ω	R0= 10 Ω
1	10.55	8.55	168.3	136.4
5	9.55	7.55	152.3	120.4
10	8.30	6.30	132.4	100.5

 

结论

结合高驱动放大器和高精度放大器的CAEHCS电路可在VCCS应用中提供出色的交流和直流性能以及大输出容量。本电路建议将ADA4870与ADA4898、LT6275和ADA4522结合使用。

审核编辑：郭婷