差动放大器构成精密电流源的核心

许多应用利用精密电流源提供恒定电流,包括工业过程控制、仪器仪表、医疗设备和消费电子产品。例如,过程控制系统利用电流源提 供电阻温度检测器(RTD) 所需的激励电流;数字万用表利用电流源测量未知电阻、电容和二极管;长距离信息传输广泛使用电流源来 驱动4 mA至20 mA电流环路。

精密电流源传统上采用运算放大器、电阻和其它分立器件构建,但存在尺寸、精度和温度漂移等方面的不足。现在,高精度、低功耗、低成本集成 差动放大器 1, 例如( AD82762) 的出现,使得尺寸更小、性能更高的电流源变成现实,如图 1所示。反馈缓冲器使用低失调、低偏置电流放大器,例如 AD8538, AD8603, AD8605, AD8628, AD8655, AD8661, AD8663, OP177, 或 OP1177, 具体取决于所需电流范围。

Figure 1
图1. 差动放大器和运算放大器构成精密电流源

输出电流可以通过下式计算:

Equation 1

如果 Rg1 = Rg2 = Rf1 = Rf2, 上式可简化为:

Equation 2

最大输出电流受以下因素限制:运算放大器输入范围、差动放大器输出范围以及差动放大器SENSE引脚电压范围。必须满足下列三个条件:

Equation 3
     在运算放大器输入范围内
Equation 4
     在SENSE引脚电压范围2× (–Vs) – 0.2 V至2× (+Vs) – 3 V内。
Equation 5
     在A D8276输出电压范围–Vs+ 0.2 V至+Vs– 0.2 V内。

SENSE引脚可以耐受几乎为电源两倍的电压,因此第二个限制条件相当宽松。 2.5V至36V的宽电源电压范围使得A D8276成为许多应用的理想之选。 A级和B级的最大增益误差分别为0.05%和0.02%,因此电流源精度最高可达0.02%。

配置变化

对于可以接受稍大误差的低成本应用,可以移除反馈缓冲器以简化电路,如图2所示。

如果

Equation 6

则输出电流为:

Equation 7

对于 

Equation 8
Figure 2
图2. 去掉反馈放大器的简化电路

如果所需输出电流小于A D8276的输出能力15 m A,则可去掉升压晶体管,如图 3所示。如果低电流和降低精度均能接受,则可采用更为简单的低成本配置,如图4所示。

Figure 3
图3. 针对低电流应用的简化电路
Figure 4
图4. 针对低成本、低电流应用的简化电路

图5所示的拓扑结构可以用于高电流、高精度应用,运算放大器输入范围无限制。

Figure 5
图5. 差动放大器和匹配电阻构成精密电流源

输出电流可以通过下式计算

Equation 9

如果完全匹配, Rg1 = Rg2 = Rf1 = Rf2 = 40 kΩ 且 R1 = R2, 则输出电 流为:

Equation 10

外部电阻R1和R2应具有超高精度和匹配度,否则输出电流将随负载而变化,由此产生的误差无法通过软件来校正。

外围器件

输入电压VREF可以是DAC输出、基准电压源或传感器输出。如果需要可编程电流源,推荐使用精密14位或16 位DAC,如 AD5640, AD5660, AD5643R, 和 AD5663R 等。至于基准电压源,要求更高性能时推荐使用 精密基准源 ADR42xADR44x 要求低功耗时推荐使用 ADR36x 要求低成本时推荐使用;AD158xADR504x 要求小尺寸时推荐使用集成 运算放大器与基准电压源ADR82x

基准电压源可以连接到AD8276的反相或同相输入端。如果使用同相输入,共模电压为 

Equation 11

输出电流为

Equation 12

如果使用反相输入,共模电压为

Figure 13

输出电流为

Equation 14

使用反相输入时,需要一个缓冲放大器;因此,建议使用同相输入,以简化电路。

晶体管选择

选择升压晶体管时,务必使VC高于电源电压,并使IC高于所需输出电流。推荐使用 2N3904、2N4401和2N3391等低成本晶体管。电流较低时,无需使用晶体管。

实验基准结果和分析

使用图1电路测得的输入电压与输出电流的关系如图6所示。A D8276和AD8603采用+5 V电源供电。 R1的容差为0.1%。晶体管为2N3904。基准电压以0.01V步进从0.05 V扫描至1.20 V。输入范围受电源和 AD8603输入范围的限制。

最大误差为0.87%,平均误差为0.10 % 。电流检测误差受外部电阻的限制。较高精度的电阻可以产生较高精度的电流源。

Figure 6
图6. 使用差动放大器和反馈放大器的测试结果

结束语

差动放大器A D8276具有低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差、 低增益漂移特性以及集成电阻,可以用来实现精确、稳定的电流源。宽电源电压 范围(2.5 V至36 V)使其能支持各种各样的负载。节省空 间的8引脚MSOP封装和低功耗特性,则使它非常适合电池供电的便携式系统。采用差动放大器实现精密电流源可以缩小 PCB面积,简化布局,降低系统成本,提高可靠性。

附 录:差动放大器

表 1

型号 共模范围 (V) 典型带宽(MHz) CMRR(dB) 增益范围 最小电源电压(V)  最大电源电压(V) 
AD8270 –Vs 至 +Vs 10 98 1.5 +5 +36
AD8271 –Vs–0.4 至 +Vs+0.4 15 80 1.5 +2.5 +36
AD8273 ±40 20 86 1.5 +5 +36
AD8274 ±3 10  86 1.5 +5 +36
AD8275 –13 至 +24  15 96 0.2 +3.3 +15
AD8276 2(–Vs) + 0.2至 2(+Vs)–3  0.55  86 1 +2.5 +36

Part 2

型号 电源电流(mA)  VosTC (μV/°C)  增益TC(ppm/°C  温度范围  封装 
AD8270 2.5 1.5 1 –40 至 +125 LFCSP
AD8271 2.6 2 2 –40 至 +85
MSOP
AD8273 2.5 3 2 –40 至 +125 SOIC
AD8274 2.6 3 0.5 –40 至 +85 MSOP, SOIC
AD8275 2.3 2.5 0.3 –40 至 +85 MSOP 
AD8276 0.22 2 1 –40 至 +125 MSOP, SOIC 

作者

Neil-Zhao

Neil Zhao

Neil Zhao has worked as a field applications engineer with the China Applications Support Team at ADI for one year. He provides technical support for horizontal analog products across China. In January 2008, Neil graduated from Beihang University with a master’s degree in communications and information systems. He has published several articles.

Reem Malik

Reem Malik

Reem Malik 是马萨诸塞州威明顿市集成放大器产品(IAP)部门的一名应用工程师。她为仪器仪表、工业及医疗领域的顾客提供支持,并负责热电偶放大器和精密差动/差分放大器产品。Reem拥有伍斯特理工学院电气工程学士学位(BSEE)和电气工程硕士学位(MSEE)。她于2008年6月加入ADI公司。

Wenshuai Liao

Wenshuai Liao

Wenshuai Liao 是ADI 公司位于马萨诸塞州威明顿的线性产品部门(LPG)的一名营销工程师。他在获得清华大学光学工程硕士学位后,曾在大唐电信集团任3G节点BRF工程师三年。他于2002年8月加入ADI公司。