差动放大器是精密电流源的核心

作者：Neil Zhao, Reem Malik, and Wenshuai Liao

精密电流源在许多应用中提供恒定电流，包括工业过程控制、仪器仪表、医疗设备和消费产品。例如，电流源用于为过程控制系统中的电阻温度检测器（RTD）提供激励;测量数字万用表中的未知电阻、电容器和二极管;并驱动4 mA至20 mA电流环路，广泛用于长距离传输信息。

传统上，精密电流源是使用运算放大器、电阻器和其他分立元件构建的，其局限性在于尺寸、精度和温度漂移。现在，可以使用AD8276等高精度、低功耗、低成本集成式差动放大器来实现更小、更高性能的电流源，如图1所示。反馈缓冲器使用具有低失调和低偏置电流的放大器，例如AD8538、AD8603、AD8605、AD8628、AD8655、AD8661、AD8663、OP177或OP1177，具体取决于所需的电流范围。

图1.差动放大器和运算放大器构成精密电流源。

输出电流的计算公式如下：

如果 RG1= RG2= RF1= RF2，方程可以简化为：

最大输出电流受运算放大器输入范围、差动放大器输出范围和差动放大器SENSE引脚电压范围的限制。必须满足以下三个条件：

 

在运算放大器输入范围内

在 SENSE 引脚电压范围内 = 2×（–Vs） – 0.2 V 至 2×（+Vs） – 3 V

在AD8276输出电压范围内 = –Vs + 0.2 V 至 +Vs – 0.2 V

 

SENSE引脚可以承受几乎是电源两倍大的电压，因此第二个限制将非常宽松。2.5 V至36 V宽电源电压范围使AD8276非常适合许多应用。A级和B级的最大增益误差分别为0.05%和0.02%，可实现精度高达0.02%的电流源。

配置变化

对于可以容忍更多误差的成本敏感型应用，可以通过移除反馈缓冲器来简化电路，如图2所示。

跟

输出电流为：

为

 

图2.简化的电路省去了反馈放大器。

如果所需的输出电流小于15 mA（AD8276的输出能力），则可以省去升压晶体管，如图3所示。如果低电流和降低的精度都可以接受，则可以采用图4中更简单、成本更低的配置。

图3.适用于低电流应用的简化电路。

图4.适用于低成本、低电流应用的简化电路。

图5所示拓扑可用于高电流、高精度应用，不受运算放大器输入范围的限制。

图5.差动放大器和匹配电阻构成精密电流源。

输出电流可以计算为：

如果理想匹配，RG1= RG2= RF1= RF2= 40 kΩ 和 R1= R2，输出电流为：

外部电阻器 R1和 R2应该具有超高精度和匹配性，否则输出电流会随负载而变化，这是软件无法纠正的错误。

周边组件

输入电压，V裁判，可以是DAC输出、基准电压源或传感器输出。如果需要可编程电流源，推荐使用精密14位或16位DAC，例如AD5640、AD5660、AD5643R和AD5663R。对于基准电压源，建议使用精密ADR42x、ADR44x以获得更高的性能; 建议将ADR36x用于低功耗;建议使用AD158x和ADR504x，以实现低成本;对于小尺寸，建议使用ADR82x集成运算放大器和基准电压源。

基准电压源可以连接到AD8276的反相或同相输入。如果使用同相输入，共模电压将为

输出电流将为

如果使用反相输入，共模电压将为

输出电流将为

使用反相输入时，需要一个缓冲放大器;因此，为简单起见，建议使用同相输入。

晶体管选择

选择升压晶体管时，请确保VC高于电源电压，IC高于所需的输出电流。建议使用低成本设备，例如 2N3904、2N4401 和 2N3391。对于较低的电流，不需要晶体管。

实验台结果和分析

使用图1电路测得的输入电压与输出电流的关系如图6所示。AD8276和AD8603采用+5 V供电。R1的公差为0.1%。晶体管是2N3904。基准电压源从0.05 V扫描至1.20 V，步进为0.01 V。输入范围受电源和AD8603输入范围的限制。

最大误差为 0.87%，平均值为 0.10%。电流检测误差受外部电阻器的限制。更高精度的电阻器将产生更高精度的电流源。

图6.使用差分放大器和反馈放大器的测试结果

结论

AD8276差动放大器具有低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差、低增益漂移和集成电阻，可用于实现精确、稳定的电流源。其宽电源范围（2.5 V至36 V）使其能够适应各种负载。其节省空间的 8 引脚 MSOP 封装和低功耗使其成为电池供电和便携式系统的理想选择。利用差动放大器实现精密电流源可以减小PCB面积，简化布局，降低系统成本并提高可靠性。

审核编辑：郭婷