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[经验] 如何选择电阻以少接地负载电流源误差?

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发表于 2019-11-25 09:55:35 |显示全部楼层

运算放大器通常用于在工业流程控制、科学仪器和医疗设备等各种应用中产生高性能电流源。《模拟对话》1967年第1卷第1期上发表的"单放大器电流源"介绍了几种电流源电路,它们可以提供通过浮动负载或接地负载的恒流。在压力变送器和气体探测器等工业应用中,这些电路广泛应用于提供4-mA至20-mA或0-mA至20-mA的电流。


图1所示的改进型Howland电流源非常受欢迎,因为它可以驱动接地负载。允许相对较高电流的晶体管可以用MOSFET取代,以便达到更高的电流。对于低成本、低电流应用,可以去除晶体管,如《模拟对话》2009年第43卷第3期" 精密电流源的心脏:差动放大器"所述。


这种电流源的精度取决于放大器和电阻。本文介绍如何选择外部电阻以最大程度减少误差。



图1. 改进型Howland电流源驱动接地负载。

通过对改进型Howland电流源进行分析,可以得出传递函数:


   (1)

提示1:设置 R2 + R5 = R4

在公式1中,负载电阻影响输出电流,但如果我们设置 R1 = R3 和 R2 + R5 = R4, 则方程简化为:


   (2)

此处的输出电流只是R3, R4和 R5的函数。如果有理想放大器,电阻容差将决定输出电流的精度。


提示2:设置 RL = n × R5

为减少器件库中的总电阻数,请设置 R1 = R2 = R3 = R4。现在,公式1简化为:


   (3)

如果R5 = RL,则公式进一步简化为:


   (4)

此处的输出电流仅取决于电阻 R5.


某些情况下,输入信号可能需要衰减。例如,在处理10 V输入信号且 R5 = 100 Ω的情况下,输出电流为100 mA。要获得20 mA的输出电流,请设置R1 = R3 = 5R2 = 5R4。现在,公式1简化为:


   

如果 RL = 5R5 = 500 Ω, 则:


   (5)

提示3: R1/R2/R3/R4 的值较大,可以改进电流精度

大多数情况下,R1 = R2 = R3 = R4,但RL ≠ R5,因此输出电流如公式3所示。例如,在R5 = 100 Ω 且RL = 500 Ω的情况下,图2显示电阻R1与电流精度之间的关系。要达到0.5%的电流精度,R1必须至少为40 kΩ。



图2. R1 与输出电流精度之间的关系。
提示4:电阻容差影响电流精度

实际电阻从来都不是理想的,每个电阻都具有指定的容差。图3显示了示例电路,其中 R1 = R2 = R3 = R4 = 100 kΩ, R5 = 100 Ω, 而且RL = 500 Ω.在输入电压设置为0.1 V的情况下,输出电流应该为1 mA。表1显示由于不同电阻容差而导致的输出电流误差。为达到0.5%的电流精度,请为R1/R2/R3/R4选择0.01%的容差,为R5选择0.1%的容差,为RL选择5%的容差。0.01%容差的电阻成本昂贵,因此更好的选择是使用集成差动放大器(例如 AD8276, 它具有更好的电阻匹配,而且更加经济高效。



图3.IOUT = 1 mA的示例电路。

表1. 最差情况输出电流误差(%)与电阻容差(%)


电阻容差/
电阻变化
5
1
0.5
0.1
0.05
0.01
0
R1/R2/R3/R4
110.11
10.98
5.07
1.18
0.69
0.30
0.20
R5
5.05
1.19
0.70
0.30
0.25
0.21
0.20
RL
0.21
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20

结论

在设计改进型Howland电流源时,需要选择外部电阻,使得输出电流不受负载电阻的影响。电阻容差会影响精度,必须在精度和成本之间权衡考虑。放大器的失调电压和失调电流也会影响精度。请查阅数据手册,确定放大器是否满足电路要求。可以使用Multisim进行仿真,了确这些规格对精度产生的影响。集成差动放大器具有较低的失调电压、失调电压漂移、增益误差和增益漂移,可以经济高效地 实现精确稳定的电流源.


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