CN0099: 利用差动放大器AD8276和运算放大器AD8603构建高精度、低成本电流源

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概览

电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 325 kB)
下载英文版PDF, 08/2013 (pdf, )
优势和特点
  • 采用差分放大器和运算放大器的低成本电流源
  • 针对高精度进行优化
  • 低功耗
此电路中所用产品
    应用: 
  • 电子测试和测量

电路功能与优势

电流源广泛用于工业、通信和其它设备中的传感器激励和设备间通信等领域。例如,过程控制设备中广泛采用的4 mA至20 mA环路。

利用DAC、放大器(运算放大器或差动放大器)和匹配电阻,可以构建可编程电流源。低值电流源可以集成到低输出电流源或放大器中。例如,仪表放大器AD8290内部集成一个电流源,高分辨率Σ-Δ ADCAD7794 具有两个集成电流源。对于较大电流,一般需要外部MOSFET或晶体管。

利用低功耗差动放大器AD8276和运算放大器AD8603构建的电流源,不仅经济、灵活、小巧,而且初始误差、温度漂移和功耗等性能也都非常出色。

图1:利用差动放大器AD8276和运算放大器AD8603构建电流源(原理示意图)

电路描述

电流源电路如图1所示。基准电压VREF加在AD8276的同相输入端,该电压控制输出电流量 IO。 AD8276的反相输入端则直接接地。该器件内置四个40 kΩ激光调整电阻,分别与输入引脚、REF引脚和SENSE引脚相连。如果需要高电流输出,则AD8276的输出可用来驱动一个晶体管。

如果电阻完全匹配,R1上的电压即输入电压VREF,从而产生恒定的负载电流IO,它等于VREF/R1

由于运算放大器AD8603具有低偏置电流(最大值为1 pA)和低失调电压(小于50 μV)特性,所以在电路的反馈环路中选用该器件。低偏置电流特性使它能与高阻抗负载接口,而不会引入明显的失调误差。低温度漂移特性(最大值为4.5 μV/°C)使它能在较宽的温度范围内工作,而且该放大器还具有低噪声以及轨到轨输入和输出特性。

输出电流值IO可通过下式计算:

Formula 1

AD8276具有非常严格的电阻匹配,RF1/RG1 = RF2/RG2 = 1,因此公式1可简化为:

Formula 2

公式1显示,图1所示电路的主要误差源于内部电阻匹配、R1的公差和负载电阻的公差。AD8276(B级)的最大增益误差为0.02%,AD8276(A级)的最大增益误差为0.05%,该电路的整体精度可以达到0.02%。

同时,R1的精度也非常重要,其公差应达到0.1%或更佳,此误差可通过校准来消除。

电路的输出电流量IO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。

根据图1,必须满足以下三个条件:

  1. VLOAD = IO × RLOAD 必须在运算放大器AD8603的输入范围内。

  2. VOUT = IO × (RLOAD + R1) 必须在AD8276 SENSE引脚电压范围内:2(−Vs) − 0.2 V 至 2(+Vs) − 3 V.

  3. IO × (RLOAD + R1) + 2(−Vs) − 0.2 V 至 2(+Vs) − 3 V 必须在AD8276输出电压范围内:–Vs + 0.2 V 至 +Vs − 0.2 V.

AD8276具有轨到轨输出特性,可采用2.5 V至36 V电源供电,因而输出电流范围较宽。

AD8276B的最大失调电压漂移为2 μV/°C,最大增益漂移为1 ppm/°C,温度漂移较低,工作温度范围较宽。AD8276A的最大失调电压漂移和最大增益漂移分别为5 μV/°C和5 ppm/°C。

AD8276(8引脚MSOP)和AD8603(5引脚TSOT-23)均采用小尺寸封装,因此该电路所需的电路板面积极小。

外部电流源晶体管T1的击穿电压VCB应高于AD8276电源电压。该晶体管的最大集电极电流应高于预期的输出电流并具有适当的裕量,而且必须遵循晶体管功耗限制。推荐使用2N3904、2N4401、2N3391和MPSA06等低成本晶体管。

AD8276可以驱动15 mA以下的输出电流,而不需要外部晶体管或MOSFET。

图2所示为室温下采用AD8276A、AD8603和2N3904的测试结果。R1为50 Ω,公差0.1%。显然,实际输出与计算结果相符。在所示数值范围内,测量结果与理想结果相差无几,不超过0.5%,平均误差低于R1公差限制的0.1%。

图2:利用AD8276A、AD8603和2N3904构建的电流源测试结果(R1 = 50 Ω,RLOAD = 100 Ω,Vs = +5 V,TA = 25°C)

与其它高精度电路一样,必须采用适当的布局、接地和去耦技术。欲了解更多信息,请参考 教程 MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”,以及教程MT-101——“去耦技术”。

常见变化

如果需要更高的电源,以获得更高的输出电流值,可以使用OP1177AD8661AD8663。重要特性包括电源电压范围、偏置电流、失调电压、输入电压范围和温度漂移。

如果需要固定电流源,则VREF 可以由基准电压源提供,例如ADR36x 系列

ADR82x系列集成基准电压源和运算放大器,可采用最高36 V的电源供电,从而可进一步节省空间。

如果需要双通道电流源,AD8607AD8277 都是不错的选择。

如果需要可编程电流源,请使用精密14位或16位DAC来产生基准电压VREFAD5560AD5060 (单通道)和AD5663R (双通道)均适合这种应用。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD8276 低功耗、宽电源电压范围、低成本、单位增益差动放大器 AD8276BRMZ AD8276ARMZ AD8276ARZ
AD8603 微功耗RRIO、低噪声、精密单通道CMOS运算放大器 AD8603AUJZ-REEL7
沪ICP备09046653号
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