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誤差補償可改善雙極電流汲取器
( 10 月 1 日 2006 年)
作者：Christian de Godzinsky，Planmeca 公司

添加兩個標準的 1% 公差電阻，就可把電流汲取器的精度至少提高兩個數量級。而且還可以補償由低電流增益傳遞電晶體（low-current-gain pass transistor）的基極電流所引起之誤差。為此，應量測電晶體的基極電流，並為源極的參考電壓添加一個可按比例調整的誤差項。在設計電流汲取器時，可以利用 MOSFET 來作為汲取器的傳遞電晶體，這是因為它的功率增益幾乎無限，並且柵極電流很低。但是，高功率 MOSFET 帶來很高的輸入和輸出電容，這會降低汲取器的高頻輸出阻抗。
作為替代品，低電流增益的雙極功率電晶體之輸出電容比額定功率相當的 MOSFET 低得多。圖 1 說明了一種以雙極電晶體為基礎的電流汲取器之設計，但不幸的是，它會遭遇到由於 Q1 的基極電流流入電流量測電阻 R1 而引起的精度誤差。基極電流隨 Q1 的集電極電流和電流增益的變化而變化，而後二者的變化又取決於 Q1 的生產公差（production tolerance）、接點溫度（junction temperature）、和集電極-發射極的電壓。
可使用達靈頓電晶體（Darlington transistor）來增加電路的電流增益並降低輸出誤差，但只有少數幾種達靈頓電晶體可以提供良好的高頻參數。超級貝他（superbeta）功率電晶體很少見，一般具有更低的單位增益頻寬頻率，並且也較昂貴。換句話說，儘管雙極電晶體在高頻呈現的輸出阻抗較高，但來自其基極的誤差也使它成為高精度電流汲取器的不佳選擇。可經由對輸出電晶體集電極電流的量測和引入校正因數來補償基極電流誤差，但這種方法會增加電路的複雜度，並降低汲取器的輸出阻抗。



圖 2 說明了另一種比較好的方法，它加進了一個差動放大器 IC2 以及電阻 R6 至 R9，以便經由對 R2 的電壓抽樣來量測 Q1 的基極電流。電阻 R4 和 R5 對誤差以及施加到差動放大器 IC1 的參考電壓進行調整和求和。由於 IC1 的逆變輸入連接到分流電阻 R1 的上方，未連接到地，因此參考電壓 VREF 決定了施加到 Q1 的誤差電壓，從而保持了輸出比例，並能計算輸出電流，即 VREF/R1。結果，R1 兩端已經調整的電壓代表了預期輸出電流與電晶體的基極電流之和。由於電晶體天生地（inherently）“減去了”它的基極電流，因此它的集電極電流以及輸出電流就不會有基極電流誤差。



將IC1 和 IC2結合，就可以簡化電路並保持它的誤差校正屬性。更好的是，可為圖 1 新增兩個電阻來達到相同的效果。圖 3 說明的是最終電路。為了理解電路的工作原理，可把它當作穩壓器，它提供的電壓等於 R1 兩端的 VREF。如果把基極電阻 R2 短路，則請注意：電阻 R5 和 R6 引入的共模誤差抵消了，因而不影響 Q1 的基極電壓。透過 R5 和 R4 把電壓降送回 IC1 的輸入端時，R2 兩端的電壓降（代表了 Q1 的基極電流）按照 R5/R4 之比增加 R1 兩端的已調整電壓。如果 R5/R4 之比等於 R2/R1 之比，則 R1 兩端的電壓包含了一個誤差項，它可以有效地抵消基極電流。如果 R3=R4 且 R5=R6，則以下的方程式可以用來描述輸出電流 IOUT：







由於基極電流 IB 以相反符號出現了兩次並且抵消，因此此一方程式可簡化為：IOUT=(VREF/R1)。
為了將電路性能最佳化，應使用以下的電阻比例：R2/R1=R5/R4、R5=R6、R3=R4、R5>>R4、R3>>R1。如果在圖 3 的電路中使用標準的 1% 公差電阻，就可把來自 Q1 基極電流的誤差減小到它的未補償水準的大約 1%。如果沒有補償，則位於 Q1 的典型電流增益為 25 的低增益功率電晶體就會引入 4% 的滿刻度電流誤差。電路把誤差校正到 0.04%，並把 Q1 的電流增益提高到 2,500 的有效電流增益。完美的匹配將使基極電流誤差小到無法量測。請注意：IC1 的輸入共模電壓範圍必須包含負電源電壓軌。IC1 兩個輸入端的相等電阻可平衡運算放大器的輸入偏置電流。最低電源電壓取決於 IC1 的最大電流供應能力以及 Q1 的基極-發射極接點、R1 和 R2 兩端最壞情形下的電壓降之和。電路的最高輸出電流取決於 Q1 最壞情形的最小電流增益乘以 IC1 最壞情形的最低輸出電流。
為了確保穩定的工作，應把單位增益穩定的運算放大器作為 IC1。當電路在其正常電流範圍內工作時，回應時間明顯比 Q1 長的運算放大器一般不要求安裝補償電容 CCOMP。但是，一個數十皮法的小電容可保證所有條件下的穩定性，例如當電路的輸出電流和 R1 兩端的回饋電壓接近零時。
如果使用達靈頓電晶體作為 Q1，則由於其較高的電流增益進一步改善了電路的運作，因此圖 3 中的電路會運作得一樣好。如果使用兩個分立雙極電晶體，則可在輸出電晶體的基極和發射極之間連接一個電阻，來消除其多餘的基極電荷，由此改善複合達靈頓電晶體的關斷時間（圖 4）。
可使用固定式或可調式參考電壓源，但為了達到可能的最小誤差，參考源的輸出阻抗應相當低，以便汲取來自 R4 的回饋電流。還可按比例增加電阻 R3 至 R6 的值，來減少參考源吸收的電流。只要為一條已經很簡單的電路增加兩個電阻，其所實現的效果卻極令人驚訝。
 
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