如何利用运算放大器设计精密电流泵

在电路理论中，电压源和电流源同样理想，同样易于实现。您只需画一个圆圈，然后为电压添加正负号或为电流添加箭头。现在您有一个电路元件，它可以在所有条件下产生指定电压或在所有条件下驱动指定电流。

在现实生活中，电源并不理想，此外，逼近理论电压源比逼近理论电流源要容易得多。电压源与电池、齐纳二极管或与缓冲器组合的电阻分压器一样简单。

另一方面，电流源通常需要一些巧妙的电路设计和对操作细节的更多关注。

电流源架构

有多种方法可以设计电流源。在我们研究双运算放大器拓扑之前，让我们简要回顾一下其他一些选项。您可以通过单击相应的链接了解有关所有这些主题的更多信息。

一种有趣的方法是使用电压调节器作为电流调节器：

LT3085 的应用图。图片由Linear Devices (Analog Devices)提供

另一种选择是基于放大器的电路，我在上一篇关于如何设计简单的电压控制双向电流源的文章中对此进行了讨论。基于放大器的电路隐约让人联想到双运算放大器拓扑结构，但其中一个放大器是仪表放大器而不是运算放大器。

电压可编程电流源图。图片由Linear Devices (Analog Devices)提供

最后，我们有Howland 电流泵，它在 Sergio Franco 博士撰写的 AAC 文章中进行了彻底分析。

双运放拓扑

我在 Analog Devices 的一份旧应用笔记中找到了这个被描述为“精密电流泵”的电路。它产生与输入电压成正比的双向输出电流。

这是原始电路图：

精密电流泵示意图。图片由 Analog Devices提供

这个电路有一些我喜欢的地方。首先，只需要两种类型的元件：运算放大器和电阻器。

其次，运算放大器具有相同的部件号。的确，该电路使用两个运算放大器，而 Howland 泵仅使用一个，但两个运算放大器可以是完全相同的部件这一事实是有利的，因为您可以使用双运算放大器 IC 封装，从而最大限度地减少任何第二个运算放大器需要额外的成本或电路板空间。

第三，五个电阻中的四个（R2、R3、R4、R5）可以具有相同的值，然后电压电流增益由一个电阻（R1）控制。R2–R5 的值并不重要，因此您可以根据实验室已有的组件或现有 BOM 调整电路。但请记住，更高精度的电阻器会产生更高精度的电流源。

第四，输入电压是差分的。这使您可以灵活地提供控制电压，并允许您利用电路的双向输出电流能力，而无需生成延伸到地以下的控制电压。

双运算放大器电流源的基本操作

我们将使用 LTspice 实现来帮助我们分析双运放电流源。

在这里，我使用的是 LTspice“理想的单极运算放大器”。我最初用 OP-77 尝试过，但模拟运行不正常。OP-77 宏模型可能存在问题，因为我有另一个版本的电路使用 LT1001A 运算放大器并且它模拟正确。

恒流源电路通常依赖于某种类型的反馈，无论负载电阻如何，该反馈都会使电压源产生指定的电流。（您可以在我为颜色传感器项目设计的压控 LED 驱动器中看到一个简单的示例。）

在双运放电流泵中，U1放大差分控制电压，U2配置为电压跟随器，感应负载两端的电压并将其反馈到输入级。

上面显示的电压源配置产生一个从 +250 mV 到 –250 mV 的差分输入电压。根据应用笔记中提供的方程式，输出电流应在 2.5 mA 至 –2.5 mA 之间变化，因为 A V = 1 且 R1 = 100 Ω，这正是我们观察到的：

使用此电路需要注意的一件事是 U1 输出电压。所有负载电流都来自 U1。如果忽略流经反馈电阻R4 并流入U2 正输入端的极小电流，则U1 输出端的电压将等于I OUT 乘以负载电阻与R1 的电阻之和。

该电压很容易超过运算放大器输出级实际产生的电压，特别是如果您使用的是 ±3 V 或 ±5 V 电源轨，而不是我认为的 ±12 V 或 ±15 V 模拟电源电压过去常见。

由于这个限制，我认为双运算放大器电流泵是具有低负载电阻和/或小输出电流的应用的不错选择。

结论

我们快速浏览了具有合理 BOM 要求并包含差分控制电压输入级的双向电流源电路。在下一篇文章中，我们将使用 LTspice 更详细地分析电路的性能。