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如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?

發(fā)布時間:2021-02-24 來源:David Guo 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】運算放大器通常用于在工業(yè)流程控制、科學(xué)儀器和醫(yī)療設(shè)備等各種應(yīng)用中產(chǎn)生高性能電流源?!赌M對話》1967年第1卷第1期上發(fā)表的“單放大器電流源”介紹了幾種電流源電路,它們可以提供通過浮動負(fù)載或接地負(fù)載的恒流。
   
運算放大器通常用于在工業(yè)流程控制、科學(xué)儀器和醫(yī)療設(shè)備等各種應(yīng)用中產(chǎn)生高性能電流源?!赌M對話》1967年第1卷第1期上發(fā)表的“單放大器電流源”介紹了幾種電流源電路,它們可以提供通過浮動負(fù)載或接地負(fù)載的恒流。在壓力變送器和氣體探測器等工業(yè)應(yīng)用中,這些電路廣泛應(yīng)用于提供4-mA至20mA或0-mA至20-mA的電流。
 
圖1所示的改進(jìn)型Howland電流源非常受歡迎,因為它可以驅(qū)動接地負(fù)載。允許相對較高電流的晶體管可以用MOSFET取代,以便達(dá)到更高的電流。對于低成本、低電流應(yīng)用,可以去除晶體管,如《模擬對話》2009年第43卷第3期“差動放大器構(gòu)成精密電流源的核心”所述。
 
這種電流源的精度取決于放大器和電阻。本文介紹如何選擇外部電阻以最大程度減少誤差。
 
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?
圖1. 改進(jìn)型Howland電流源驅(qū)動接地負(fù)載
 
通過對改進(jìn)型Howland電流源進(jìn)行分析,可以得出傳遞函數(shù):
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?

提示1:設(shè)置R2 + R5 = R4
 
在公式1中,負(fù)載電阻影響輸出電流,但如果我們設(shè)置R1 = R3 和R2+ R5 = R4,則方程簡化為:
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?
 
此處的輸出電流只是R3、R4和R5的函數(shù)。如果有理想放大器,電阻容差將決定輸出電流的精度。
 
提示2:設(shè)置RL = n × R5
 
為減少器件庫中的總電阻數(shù),請設(shè)置R1 = R2 = R3 = R4?,F(xiàn)在,公式1簡化為:
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?
 
如果R5 = RL,則公式進(jìn)一步簡化為:
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?
 
此處的輸出電流僅取決于電阻R5。
 
某些情況下,輸入信號可能需要衰減。例如,在處理10 V輸入信號且R5 = 100 Ω的情況下,輸出電流為100 mA。要獲得20 mA的輸出電流,請設(shè)置R1 = R3 = 5R2 = 5R4?,F(xiàn)在,公式1簡化為:
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?
 
如果RL = 5R5 = 500 Ω,則:
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?
 
提示3:R1/R2/R3/R4的值較大,可以改進(jìn)電流精度大多數(shù)情況下,R1 = R2 = R3 = R4,但RL ≠ R5,因此輸出電流如公式3所示。例如,在R5 = 100 Ω且RL = 500 Ω的情況下,圖2顯示電阻R1與電流精度之間的關(guān)系。要達(dá)到0.5%的電流精度,R1必須至少為40 kΩ。
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?
圖2. R1與輸出電流精度之間的關(guān)系
 
提示4:電阻容差影響電流精度
 
實際電阻從來都不是理想的,每個電阻都具有指定的容差。圖3顯示了示例電路,其中R1 = R2 = R3 = R4 = 100 kΩ,R5 = 100 Ω,而且RL = 500 Ω。在輸入電壓設(shè)置為0.1 V的情況下,輸出電流應(yīng)該為1 mA。表1顯示由于不同電阻容差而導(dǎo)致的輸出電流誤差。為達(dá)到0.5%的電流精度,請為R1/R2/R3/R4選擇0.01%的容差,為R5選擇0.1%的容差,為RL選擇5%的容差。0.01%容差的電阻成本昂貴,因此更好的選擇是使用集成差動放大器(例如AD8276),它具有更好的電阻匹配,而且更加經(jīng)濟高效。
 
如何最大程度減少接地負(fù)載電流源誤差?
圖3. IOUT = 1 mA的示例電路
(來源:ADI,作者:David Guo)
 
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