差动放大器构成精密电流源的核心

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许多应用利用精密电流源提供恒定电流,包括工业过程控制、仪器仪表、医疗设备和消费电子产品。例如,过程控制系统利用电流源提供电阻温度检测器(RTD)所需的激励电流;数字万用表利用电流源测量未知电阻、电容和二极管;长距离信息传输广泛使用电流源来驱动4 mA至20 mA电流环路。

精密电流源传统上采用运算放大器、电阻和其它分立器件构建,但存在尺寸、精度和温度漂移等方面的不足。现在,高精度、低功耗、低成本集成 差动放大器1(例如 AD82762)的出现,使得尺寸更小、性能更高的电流源变成现实,如图1所示。反馈缓冲器使用低失调、低偏置电流放大器,例如 AD8538, AD8603, AD8605, AD8628, AD8655, AD8661, AD8663, OP177, 或 OP1177, 具体取决于所需电流范围。

图1. 差动放大器和运算放大器构成精密电流源

 

输出电流可以通过下式计算:

如果Rg1 = Rg2 = Rf1 = Rf2, 上式可简化为:

最大输出电流受以下因素限制:运算放大器输入范围、差动放大器输出范围以及差动放大器SENSE引脚电压范围。必须满足下列三个条件:

在运算放大器输入范围内

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

在AD8276输出电压范围–Vs + 0.2 V至+Vs – 0.2 V内

SENSE引脚可以耐受几乎为电源两倍的电压,因此第二个限制条件相当宽松。2.5V至36V的宽电源电压范围使得AD8276成为许多应用的理想之选。A级和B级的最大增益误差分别为0.05%和0.02%,因此电流源精度最高可达0.02%。

配置变化

For cost-sensitive applications that can tolerate a little more error, the circuit can be simplified by removing the feedback buffer, as shown in Figure 2.

如果 ,则输出电流为:

对于

图2. 去掉反馈放大器的简化电路

如果所需输出电流小于AD8276的输出能力15 mA,则可去掉升压晶体管,如图3所示。如果低电流和降低精度均能接受,则可采用更为简单的低成本配置,如图4所示。

图3. 针对低电流应用的简化电路

图4. 针对低成本、低电流应用的简化电路

 

图5所示的拓扑结构可以用于高电流、高精度应用,运算放大器输入范围无限制。

图5. 差动放大器和匹配电阻构成精密电流源

输出电流可以通过下式计算:

如果完全匹配,Rg1 = Rg2 = Rf1 = Rf2 = 40 kΩ 且 R1 = R2,则输出电流为:

外部电阻R1和R2应具有超高精度和匹配度,否则输出电流将随负载而变化,由此产生的误差无法通过软件来校正。

外围器件

输入电压VREF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,如 AD5640,AD5660、AD5643R和AD5663R等。至于基准电压源,要求更高性能时推荐使用精密基准源ADR42x和ADR44x;要求低功耗时推荐使用ADR36x;要求低成本时推荐使用AD158x和ADR504x;要求小尺寸时推荐使用集成运算放大器与基准电压源ADR82x。

基准电压源可以连接到AD8276的反相或同相输入端。如果使用同相输入,共模电压为 ,输出电流为 。如果使用反相输入,共模电压为 输出电流为 。使用反相输入时,需要一个缓冲放大器;因此,建议使用同相输入,以简化电路。

晶体管选择

选择升压晶体管时,务必使VC高于电源电压,并使IC高于所需输出电流。推荐使用2N3904、2N4401和2N3391等低成本晶体管。电流较低时,无需使用晶体管。

实验基准结果和分析

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电源供电。R1的容差为0.1%。晶体管为2N3904。基准电压以0.01V步进从0.05 V扫描至1.20 V。输入范围受电源和AD8603输入范围的限制。

最大误差为0.87%,平均误差为0.10%。电流检测误差受外部电阻的限制。较高精度的电阻可以产生较高精度的电流源。

图6. 使用差动放大器和反馈放大器的测试结果

结束语

差动放大器AD8276具有低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差、低增益漂移特性以及集成电阻,可以用来实现精确、稳定的电流源。宽电源电压范围(2.5 V至36 V)使其能支持各种各样的负载。节省空间的8引脚MSOP封装和低功耗特性,则使它非常适合电池供电的便携式系统。采用差动放大器实现精密电流源可以缩小PCB面积,简化布局,降低系统成本,提高可靠性。

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