如何设计具有运算放大器的精密电流泵

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在电路理论中,电压源和电流源同等理想且同样易于实现。您只需画一个圆,然后为电压加上正号和负号或为电流增加箭头。现在,您有了一个电路元件,该电路元件在所有条件下均会生成指定的电压,或者在所有条件下均会驱动指定的电流。


在现实生活中,电源不是理想的,此外,近似理论电压源比近似理论电流源要容易得多。电压源就像电池,齐纳二极管或与缓冲器结合的电阻分压器一样简单。


另一方面,电流源通常需要一些巧妙的电路设计,并且需要更多地注意操作细节。


电流源架构


有多种设计电流源的方法。一种有趣的方法是使用电压调节器作为电流调节器


如何设计具有运算放大器的精密电流泵


LT3085的应用图。图片由Linear Devices(Analog Devices)提供


另一个选择是基于放大器的电路。基于放大器的电路让人联想到两个运算放大器的拓扑,但是其中一个放大器是仪表放大器而不是运算放大器。


如何设计具有运算放大器的精密电流泵


电压可编程电流源图。图片由Linear Devices(Analog Devices)提供


最终,我们得到了Howland电流泵。


如何设计具有运算放大器的精密电流泵


双运放拓扑


该电路也称为“精密电流泵”。它产生与输入电压成正比的双向输出电流。


这是原始电路图:


如何设计具有运算放大器的精密电流泵


精密电流泵的示意图。图片由 Analog Devices提供


首先,仅需要两种类型的组件:运算放大器和电阻器。


其次,运算放大器具有相同的部件号。的确,该电路使用两个运放,而豪兰泵仅使用一个运放,但是两个运放可以完全相同的事实是有利的,因为您可以使用双运放IC封装,从而最大程度地减少第二个运算放大器需要额外的成本或电路板空间。


第三,五个电阻器中的四个(R2,R3,R4,R5)可以具有相同的值,然后电压-电流增益由一个电阻器(R1)控制。R2-R5的值并不重要,因此您可以使电路适应实验室中已有的组件或现有的BOM。但是请记住,高精度电阻器将产生高精度电流源。


第四,输入电压是差分的。这为您提供控制电压的方式提供了一定的灵活性,并且使您可以利用电路的双向输出电流功能,而无需生成延伸至地平面以下的控制电压。


两运放电流源的基本操作


如何设计具有运算放大器的精密电流泵


恒定电流源电路通常依赖某种类型的反馈,无论负载电阻如何,该反馈都会使电压源产生指定的电流。


在双运放电流泵中,U1放大差分控制电压,U2被配置为电压跟随器,该电压跟随器感测负载两端的电压并将其反馈到输入级。


上面显示的电压源配置产生的差分输入电压范围为+250 mV至–250 mV。根据应用笔记中提供的公式,由于A V = 1且R1 = 100Ω,输出电流应在2.5 mA至–2.5 mA之间变化,这正是我们观察到的:


如何设计具有运算放大器的精密电流泵


使用该电路需要注意的一件事是U1输出电压。所有的负载电流都来自U1。如果我们忽略了流经反馈电阻R4并流入U2的正输入端子的很小电流,则U1输出端子上的电压将等于IOUT乘以负载电阻和R1电阻之和。


如何设计具有运算放大器的精密电流泵


该电压很容易超过运放输出级实际产生的电压,特别是如果您使用的是±3 V或±5 V供电轨,而不是±12 V或±15 V模拟电源电压,我相信这会更多。在过去很常见。


由于这个限制,两运放电流泵是低负载电阻和/或小输出电流应用的理想选择。



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