用於接地負載的雙向電流源結構總是較為複雜。圖1所示的改良型Howland電流泵(Howland Current Pump)是實現此功能最常用的選擇。Howland所使用的電阻或電阻網路需經過仔細搭配,也可以使用精密訊差放大器(precision difference amplifier),但為實現所需效能,可能仍需要進行一些調整。

20180402TA01P1 圖1 經典的改良型Howland用於輸出至接地負載的雙向電流。此電路需要進行嚴格的元件值選擇和搭配,以實現高精確度和效能。

圖2所示的電路本文稱其為簡單電源(Simple Source),只需一個精密電阻就可實現相同功能。如第一段指出,其結構通常較為複雜,在這種情況下,就需要增加一個現成且成本較低的隔離式雙電源。

20180402TA01P2 圖2 透過實現輸出階段的電源浮動,此簡單電流源(簡單電源)電路利用單電阻就能實現精準度。隔離式雙輸出DC-DC轉換器在許多功率水準下均可使用,且可以從最喜愛的代理商網站看出。

圖2所示電路呈現了在輸出電路上使用簡單的MOSFET(如果願意,可使用雙極)緩衝器的運算放大器,可以從接地電阻的MOSFET源獲得回饋,可以發現,這開始類似用於提供電流源的經典單向運算放大器/MOSFET組合,唯一複雜的就是需要在MOSFET漏極(drains)上實現電源浮動,同時從電源的中心抽頭獲得輸出。運算放大器在單位增益配置中運行時,增益精準度是單電流檢測電阻的一個主要函數(儘管在精準度方程式中增加了兩個電阻,但仍可獲得增益)。

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除了精準度優勢之外,此電路還具有更佳的頻率回應性(frequency response)和感應式負載(inductive load),因為負載並不在反饋電路中,而是在Howland裡。(通常)輸出MOSFET的單向傳輸功能至少在超過動態範圍之前可隔離電路與負載,相比之下,改良型Howland可要求利用感應式負載進行大量補償,因為在頻寬中同時會出現減少。

請注意,圖2的簡化電路缺乏MOSFET的A/B類偏置。對於DC或低頻應用來說,這可能不會是問題。圖3中所測試的實際電路包含增加MOSFET和兩個電阻進行A/B類偏置的VGS倍增器配置,以消除交越失真,因為它可能會被用於探索頻寬能力。

20180402TA01P3 圖3 用於測試接地負載電流源的實際電路。此電路採用VGS倍增器Q3提供高頻瞬態回應測試所需的A/B類偏置。Q1和Q2上的50Ω電源電阻可消除快速過渡期間MOSFET振鈴。

圖3中的電路進行了精準度測試,然而Howland並未進行精準度檢查,因為它要求使用6個非常嚴謹的元件值。可以這樣說,任何一個電路最後都能夠提供高精準度,但是利用本文所述的電流源可大大簡化任務。

測試結果

對Howland進行精準度測試可能並不公平,因為Howland精準度與所投入的努力成正比,也正是簡單電源所解決的問題。可以說,任何一個電路最後都能夠提供高精準度,但利用簡單電源可大幅簡化任務。

精準度測試是使用一個0.1%電阻進行檢流電阻(RSENSE)測試的輸出電流誤差圖,所有的測試目的都在於評估輸出電流範圍為±10mA時的效能。圖4呈現了相對於輸入電壓的輸出電流誤差圖。

20180402TA01P4 圖4 圖3所示電路的輸出誤差(電流範圍為±10mA)。

為顯示驅動感應式負載時此電路的優勢,可將其與Howland進行比較,兩個電路均驅動一個50μH電感,圖5的原理圖用於說明如何將簡單電源重新配置為Howland電流源。在兩個電路中,採用與50μH電感串聯的1Ω無感電阻觀察輸出電流。

20180402TA01P5 圖5 測試電路以比較簡單電源(上)與Howland(下)的動態回應。透過RTEST觀察輸出訊號。

兩個電路出於不同原因都要求使用透過電感的補償網路。就簡單電源來說,輸出電容和負載電感需要使用一個緩衝器來控制響鈴振盪。Howland也存在振鈴,其中大部分振鈴是由反饋電路中的電感導致。利用方波,根據經驗執行輸入補償,在兩個電路中,開始使用透過電感的電阻,並降低電阻,直到過衝和振鈴消除。然後,採用一個電容,並降低電容值,直至過衝和振鈴開始顯示備份。盡可能採用較高的頻率,為獲得類似波形最後採用200kHz頻率。圖6的Howland波形顯示此頻率實際上超出了Howland的限制。

20180402TA01P6 圖6 在200kHz方波下驅動至±10mA的Howland電流源實際上超出了其頻率回應限制。消除過衝和振鈴所需的補償值採取四捨五入。

可以更簡單

如果圖2和3比實際需求更加複雜,你也願意犧牲部分效能,那麼可以將圖4原理圖用於最簡單的方法。乍看之下,明顯的考慮因素就是,現在開始使用運算放大器電源接腳生成輸出,且其動態範圍明顯受運算放大器的最低電源供應影響。使用CMOS運算放大器時,靜態電流在軌間流動,對輸出精確度影響不大,但雙極運算放大器卻會出現幾個百分點的誤差。雖然可以使用軌到軌旁路(rail-to-rail bypassing),但旁路仍會是個問題。

20180402TA01P7 圖7 簡單電源表現出卓越的200kHz方波效能,因為感應式負載並不是反饋電路的組成部分。出於輸出電容效應,補償可消除振鈴。

筆者已經多次將此電路作為網路分析器的電流輸出適配器,以測量運算放大器的輸出阻抗。我們尚未對各種運算放大器進行測試,雖然許多運算放大器可能會在此電路中表現良好,但仍會有一些運算放大器表現欠佳。

20180402TA01P8 圖8 這是電流輸出電路最簡單的實現方式,但是會降低輸出阻抗和限制輸出規範範圍。此外,還必須使用選擇的運算放大器驗證此方式,因為一些運算放大器可能會因為電源浮動而無法在此電路中正常運行。

模擬此電路須注意一些地方。並非所有運算放大器SPICE模型都能正確模擬電源接腳中負載電流的流動,而這是模擬此電路的一個必要特性。

(參考原文:Simple, precise, bi-directional current source,by Jerry Steele)