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簡單精確的雙向電流源

發(fā)布時間:2018-02-23 來源:Jerry Steele 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】接地負(fù)載用的雙向電流源結(jié)構(gòu)總是較為復(fù)雜。圖1所示的改良型Howland電流泵是實(shí)現(xiàn)該功能最常用的選擇。Howland要求使用仔細(xì)匹配的電阻或電阻網(wǎng)絡(luò)。也可以使用精密差分放大器,但為實(shí)現(xiàn)所需性能,可能仍需要進(jìn)行一些調(diào)整。 
 
簡單精確的雙向電流源
圖1:經(jīng)典的改良型Howland用于雙向電流輸出至接地負(fù)載。該電路要求進(jìn)行嚴(yán)格的元件值選擇和匹配,以實(shí)現(xiàn)高的精確度和性能。
 
圖2所示電路(本文中我們稱其為簡單電流源)只需一個精密電阻就可實(shí)現(xiàn)相同功能。誠如第一段中指出的那樣,復(fù)雜性總是存在的,此處需要增加一個容易獲得且成本較低的隔離式雙電源。
 
簡單精確的雙向電流源
圖2:通過浮動輸出級的電源,這個簡單電流源電路利用單個電阻就能實(shí)現(xiàn)精確度。隔離式雙輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器有眾多不同功率的型號,通過訪問分銷商網(wǎng)站可以很容易地查到。
 
圖2所示電路描述了在輸出端使用簡單的MOSFET(如果愿意,可使用雙極)緩沖器的運(yùn)算放大器。我們可以從接地電阻的MOSFET源獲得反饋。你會發(fā)現(xiàn),這與用于提供電流源的經(jīng)典單向運(yùn)算放大器/MOSFET組合類似。唯一復(fù)雜的就是需要在MOSFET漏極上實(shí)現(xiàn)電源浮動,同時從電源的中心抽頭獲得輸出。運(yùn)算放大器在單位增益配置中使用時,增益精確度大體上是單電流檢測電阻的函數(shù)(盡管在精確度方程中增加了兩個電阻,但仍可獲得增益)。
 
除了精確度優(yōu)勢之外,該電路還具有更好的頻率響應(yīng)和感性負(fù)載,因為負(fù)載并不在反饋回路中,這與Howland電路是不同的。輸出MOSFET單向傳輸功能可隔離回路與負(fù)載,至少在超過動態(tài)范圍之前如此。相比之下,改良型Howland要求利用感性負(fù)載進(jìn)行大量補(bǔ)償,而且?guī)挄瑫r減少。
 
注意,圖2的簡化電路缺乏MOSFET的A/B類偏置。對DC或低頻應(yīng)用來說,這可能并不是問題。圖3中所測試的實(shí)際電路包含增加一個MOSFET和兩個電阻進(jìn)行A/B類偏置的VGS倍增器配置,以消除交越失真,因為還要用它測試瞬態(tài)響應(yīng)。
 
簡單精確的雙向電流源
圖3:用于測試接地負(fù)載電流源的實(shí)際電路。該電路采用VGS倍增器Q3提供高頻瞬態(tài)響應(yīng)測試所需的A/B類偏置。Q1和Q2上的50?電源電阻可消除快速轉(zhuǎn)換中的MOSFET振鈴。
 
圖3中的回路進(jìn)行了精確度測試,然而Howland并未進(jìn)行精確度檢查,因為它要求使用6個非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑怠N覀兛梢赃@樣說,任何一個電路最后都能夠提供高精確度,但是利用本文所述的電流源可大大簡化任務(wù)。
 
測試結(jié)果
 
對Howland進(jìn)行精確度測試可能并不公平,因為Howland精確度是與付出的努力相關(guān)的。這就是簡單電流源所解決的問題。我們可以這樣說,兩種電路最后都能夠提供高精確度,但是利用簡單電流源可大大簡化任務(wù)。
 
用一個精度為0.1%的電阻RSENSE進(jìn)行精確度測試,測試結(jié)果用輸出電流誤差圖表示。測試的目標(biāo)在于評估輸出電流范圍為+/-10mA時的性能。圖4繪出了輸出電流誤差與輸入電壓的關(guān)系圖。
 
簡單精確的雙向電流源
圖4:圖3所示電路的輸出誤差(電流范圍為±10mA)。
 
為顯示驅(qū)動感性負(fù)載時該電路的優(yōu)勢,我們將其與Howland進(jìn)行比較,兩個電路均驅(qū)動一個50µH電感。圖5的原理圖說明了如何將簡單電流源重新配置為Howland電流源。在兩個電路中,我們用與50µH電感串聯(lián)的1?無感電阻來觀察輸出電流。
 
簡單精確的雙向電流源
圖5:測試電路以比較簡單電流源(上)與Howland(下)的動態(tài)響應(yīng)。通過RTEST觀察輸出信號。
 
兩個電路出于不同原因都要求使用通過電感的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。就簡單電流源來說,輸出電容和負(fù)載電感需要使用一個緩沖器來控制振鈴。Howland也存在振鈴,大部分是由反饋回路中的電感所致。利用方波輸入,我們根據(jù)經(jīng)驗執(zhí)行了輸入補(bǔ)償。在兩個電路中,我們開始使用通過電感的電阻,并減小阻值,直至過沖和振鈴消除。然后,采用一個電容,并降低電容值,直至過沖和振鈴開始顯示備份。
 
頻率要盡可能高,為獲得類似波形,采用200 kHz頻率。圖6的Howland波形表明該頻率實(shí)際上超出了Howland的限制。
 
簡單精確的雙向電流源
圖6:在200 kHz方波下驅(qū)動至±10mA的Howland電流源實(shí)際上超出了其頻率響應(yīng)限制。消除過沖和振鈴所需的補(bǔ)償值采取四舍五入。
 
簡單精確的雙向電流源
圖7:簡單電流源表現(xiàn)出卓越的200 kHz方波性能,因為感性負(fù)載并不是反饋回路的組成部分。由于輸出電容效應(yīng),補(bǔ)償可消除振鈴。
 
可以更簡單
 
如果你覺得圖2和圖3太復(fù)雜,并且你愿意犧牲部分性能,那么你可以選用圖4的原理圖作為最簡單的方法。初看上去,一個明顯的考慮因素是,開始使用運(yùn)算放大器電源引腳生成輸出,且其動態(tài)范圍明顯受運(yùn)算放大器最低額定電源影響。使用CMOS運(yùn)算放大器時,靜態(tài)電流在軌間流動,對輸出精確度影響不大,但雙極運(yùn)算放大器卻會出現(xiàn)幾個百分點(diǎn)的誤差。雖然可以使用軌到軌旁路,但是旁路仍然是個問題。作者已經(jīng)多次將該電路用作網(wǎng)絡(luò)分析器的電流輸出適配器,以測量運(yùn)算放大器的輸出阻抗。我們尚未對各種運(yùn)算放大器進(jìn)行測試,雖然許多運(yùn)算放大器可能會在本電路中表現(xiàn)良好,但仍會有一些運(yùn)算放大器表現(xiàn)欠佳。
 
模擬本電路的警告。并非所有運(yùn)算放大器spice模型都能夠正確模擬電源引腳中負(fù)載電流的流動,而這是模擬本電路的一個必要特性。
 
簡單精確的雙向電流源
圖8:這是本電流輸出電路最簡單的實(shí)現(xiàn)方式,但是會降低輸出阻抗和限制輸出規(guī)格范圍。此外,還必須使用你選擇的運(yùn)算放大器來驗證該方式,因為一些運(yùn)算放大器可能會由于電源浮動而無法在本電路中正常運(yùn)行。
 
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。
 
 
 
 
 
 
 
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