如何利用复合放大器拓扑实现高精度、快速建立的电流源（一）

 电压控制型电流源(VCCs)广泛用于医疗器械、工业自动化等众多领域。VCCs 的直流精度、交流性能和驱动能力在这些应用中至关重要。本文分析了增强型 Howland 电流源(EHCS)电路的局限性，并阐述了如何利用复合放大器拓扑进行改进，以实现高精度、快速建立的±500 mA电流源。

增强型Howland电流源

图1所示为传统的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，输出电流将保持恒定。

图1.Howland电流源电路

虽然较大的R2会降低电路速度与精度，但在反馈路由中插入一个缓冲器，形成一个增强型Howland电流源可以解决这一问题，如图2所示。所有通过R0的电流都流入RL。输出电流由公式2计算。

图2.增强型 Howland 电流源电路。

如果R1/R2 = R3/R4 = k，则该公式变为公式3。输出电流与负载无关，仅受输入电压控制。这是一个理想的VCCS。

性能分析

公式3基于一个理想系统。图3显示了EHCS的直流误差分析模型。VOS和IB+/IB–是主放大器的输入失调电压和偏置电流。VOSbuf和IBbuf是缓冲器的输入失调电压和偏置电流。总输出误差可以通过公式4计算。

图3.失调电压计算。

忽略增益电阻的不匹配，并考虑R1/R2 = R3/R4= k，R1//R2= R3//R4。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。

考虑R1/R2和R3/R4的不匹配，RL将会影响输出失调电流。最差相对误差如公式6所示。这个误差取决于RL/R0和k。减小负载电阻并提高k将减少失调误差。

我们还可以计算电路的温度漂移，它来自放大器和电阻。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输入放大器而言，温度每升高10℃，偏置电流便增加一倍。不同类型电阻的漂移变化很大。例如，碳膜电阻的TC约为1500 ppm/℃，而金属膜和体金属电阻的TC可能是1 ppm/℃。

选择精密放大器有利于输出电流的直流精度。然而，精密放大器的选择也存在许多局限性。其驱动能力和交流性能都不够好。表1列出了一些常见的精密放大器。

表1.精密放大器参数

我们希望构建一个±500 mA的电流源，建立时间为1 μs。对于电流源，我们需要高驱动能力。对于还要具有快速建立时间的电流源，我们需要出色的交流性能。一般来说，精密放大器无法提供这两个规范的组合，因为其压摆率和带宽不够好。这需要从其他类型的放大器中进行选择。

EHCS 实现

ADA4870 是一款高速、高电压、高驱动能力的放大器。它可提供10 V至40 V电压，输出电流限制为1.2 A。大信号下的带宽超过52 MHz和压摆率高达2500 V/μs。所有这些规格使它很适合快速建立和大电流源。图4显示了基于ADA4870的EHCS电路，它通过10 V输入可生成一个±500 mA输出电流源。

图4. 基于ADA4870的EHCS电路。

在交流规格中，我们更关心建立时间、压摆率、带宽和噪声。如图5 所示，建立时间约为60 ns，带宽约为18 MHz。输出电流压摆率可以 通过测量上升阶段和下降阶段的斜率来计算。正负压摆率分别为 +25 A/μs和–25 A/μs。输出噪声密度曲线显示了噪声性能，在1 kHz时 大约为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，该电路的直流精度不高。表2显示了不同的直流误差源与贡献。主要的直流误差来自ADA4870的Vos和IB。典型输出电流失调约为11.06 mA，这相当于500 mA全程时2.21%左右的误差范围。