高精度、可快速建立的大電流源

作者:ADI 線性和精密技術部產品應用工程師Nick Jiang

電壓控制型電流源(VCCS)已經廣泛用於醫療器械、工業自動化等眾多領域中。有鑑於VCCS的直流精度、交流性能和驅動能力在這些應用中相當重要,本文特別分析增強型Howland電流源(EHCS)電路的局限性,並闡述了如何利用複合放大器拓撲進行改進,以實現高精度、快速建立的±500 mA電流源。

增強型Howland電流源

howland-current-source-circuit-diagram
圖1.Howland電流源電路。

圖1所示為傳統的Howland電流源(HCS)電路,而公式1顯示了如何計算輸出電流。如果R2足夠大,輸出電流將保持恒定。

Equation 1
enhanced-howland-current-source-circuit-diagram
圖2.增強型Howland電流源電路。

雖然較大的R2會降低電路速度與精度,但在回饋路由中插入一個緩衝器,以形成一個增強型Howland電流源可以解決這一個問題,如圖2所示。所有通過R0的電流都流入RL。輸出電流由公式2計算。

Equation 2

如果R1/R2 = R3/R4 = k,則該公式變為公式3。輸出電流與負載無關,僅受輸入電壓控制。這是一個理想的VCCS。

Equation 3

性能分析

公式3基於一個理想的系統。圖3顯示了EHCS的直流誤差分析模型。VOS和IB+/IB–是主放大器的輸入失調電壓和偏置電流。VOSbuf和IBbuf是緩衝器的輸入失調電壓和偏置電流。總輸出誤差可以透過公式4計算。

Equation 4
offset-voltage-calculation-diagram
圖3.失調電壓計算。

忽略增益電阻的不匹配,並考慮R1/R2 = R3/R4= k,R1//R2= R3//R4。輸出失調電流取決於放大器的失調和偏置電流,如公式5所示。

Equation 5

考慮R1/R2和R3/R4的不匹配,RL將會影響輸出失調電流。最差相對誤差如公式6所示。這個誤差取決於RL/R0和k。減小負載電阻並提高k將減少失調誤差。

Equation 6

我們還可以計算電路的溫度漂移,它來自放大器和電阻。放大器的失調電壓和偏置電流隨操作溫度而變化。對於大多數CMOS輸入放大器而言,溫度每升高10℃,偏置電流便會增加一倍,而不同類型電阻的漂移變化很大。例如,碳膜電阻的TC約為1500 ppm/℃,而金屬膜和體金屬電阻的TC可能是1 ppm/℃。

表1.精密放大器參數
Devices VOS最大值(µV) IB 最大值 (pA) GPB (MHz) 壓擺率 (V/µs) Isc (mA)
ADA4522 5 150 3 1.3 22
ADA4077 25 1500 4 1 22
LTC2057HV 4 120 2 1.2 26
LT1012 25 100 1 0.2 13

選擇精密放大器有利於輸出電流的直流精度。然而,精密放大器的選擇也存在許多局限性。其驅動能力和交流性能都不夠好。表1列出了一些常見的精密放大器。我們希望構建一個±500 mA的電流源,建立時間為1 µs。對於電流源,我們需要高驅動能力。對於還要具有快速建立時間的電流源,我們需要卓越的交流性能。一般來說,精密放大器無法提供這兩個規範的組合,因為其壓擺率和頻寬不夠好。這需要從其他類型的放大器中進行選擇。

EHCS實現

ADA4870是一款高速、高電壓、高驅動能力的放大器。它可提供10 V至40 V電壓,輸出電流限制為1.2 A。大訊號下的頻寬超過52 MHz和壓擺率高達2500 V/µ s。所有這些規格使它很適合快速建立和大電流源。圖4顯示了基於ADA4870的EHCS電路,其透過10 V輸入可生成一個±500 mA輸出電流源。

圖4.基於ADA4870的EHCS電路。

在交流規格中,我們更關心建立時間、壓擺率、頻寬和雜訊。如圖5所示,建立時間約為60 ns,頻寬約為18 MHz。輸出電流壓擺率可透過測量上升階段和下降階段的斜率來計算。正負壓擺率分別為+25 A/µs和–25 A/µs。輸出雜訊密度曲線顯示了雜訊性能,在1 kHz時大約為24 nV/√Hz。

圖5.基於ADA4870的EHCS建立時間和頻率響應
圖6.基於ADA4870的EHCS輸出雜訊密度曲線。

由於輸入失調電壓和偏置電流較大,該電路的直流精度不高。表2顯示了不同的直流誤差源與貢獻。主要的直流誤差來自ADA4870的Vos和IB。典型輸出電流失調約為11.06 mA,這相當於500 mA全程時2.21%左右的誤差範圍。

表2.基於ADA4870的EHCS直流誤差
誤差源 參數(典型值) 誤差輸出(mA) 百分比
IB –12 µA 6.00 54.2%
IB+ +9 µA 4.50 40.7%
VOS 1 mV 0.55 5.0%
IBbuf –0.1 µA 0.00 0.0%
VOSbuf 0.02 mV 0.01 0.1%
Total 11.06 100%

複合放大器技術

ADA4870這樣的高驅動放大器的直流參數限制了輸出電流的精度,而高精度放大器的速度又不夠。為此,我們可以利用複合放大器技術在單個電路中整合所有這些特性。圖7所示為一個複合放大器增強型Howland電流源(CAEHCS),它由ADA4870和ADA4898-2組成。

圖7.複合放大器EHCS電路。

選擇ADA4898-2構成複合放大器是因為它具有出色的交流和直流性能。其-3 dB頻寬為63 MHz。它在輸出階躍為5 V時的0.1%建立時間為90ns,壓擺率可達55 V/µs。它還具有超低雜訊。電壓雜訊密度為0.9 nV/√Hz,電流雜訊密度為2.4 pA/√Hz。至於直流規格參數,它的性能表現也非常的良好。典型輸入失調電壓為20 µV,溫度漂移為1 µV/°C。偏置電流為0.1 µA。表3顯示了CAEHCS的直流誤差。輸出電流失調降低至0.121 mA,這意味著誤差範圍在0.03%以下。

表3.基於ADA4898的CAEHCS直流誤差
誤差源 參數(典型值) 誤差輸出(mA) 百分比
IB– –0.1 µA 0.050 41.3%
IB+ +0.1 µA 0.0050 41.3%
VOS 20 mV 0.011 9.1%
IBbuf –0.1 µA 0.000 0.1%
VOSbuf 20 µV 0.01 8.2%
總計 0.121 100%

CAEHCS的交流性能如表4所示。由於複合放大器的迴路延遲,其建立時間和頻寬均低於EHCS。由於ADA4898-2的電流雜訊低,因此CAEHCS的輸出雜訊遠低於EHCS的輸出雜訊。如產品手冊中所標明的,ADA4870的反向輸入電流雜訊密度為47 pA/√Hz。透過使用幾個kΩ級阻值的電阻,它將產生比電壓雜訊(2.1 nV/√Hz)高很多的雜訊。然而,CAEHCS中的輸入電流雜訊密度為2.4pA/√Hz。它產生的輸出雜訊要低很多。

表4.CAEHCS的交流規格
參數 CAEHCS EHCS
建立時間(ns) 200 60
壓擺率(A/µs) 7.7 25
頻寬(MHz) 6 18
1kHz時的輸出雜訊密度(nV/√Hz) 4 24

首先,CAEHCS大幅提高了VCCS的直流精度,並具有同等驅動能力和交流性能。此外,可供選擇的複合放大器產品很多,可以滿足不同的需求。表5顯示了CAEHCS電路中不同放大器的性能。LT6275的交流性能最好。它的建立時間可達100 ns以內,壓擺率高達15 A/µs。ADA4522-2等零漂移放大器非常適合輸出電流失調誤差約為0.002 mA的高精度應用。

表5.CAEHCS中主放大器的選擇
主放大器 EHCS CAEHCS
ADA4898
LT6275 極佳
ADA4522 極佳 不好

測試結果

基於ADA4898的EHCS和CATHCS的性能如表6和圖8所示。

表6.EHCS與CAEHCS的比較
主放大器
EHCS CAEHCS
直流參數 輸出電流失調(mA) 10.9 0.2
交流參數
建立時間(ns) 100 100
壓擺率(A/µs) 22.2 12.6
頻寬(MHz) 18 8
圖8.ADA4898-2(CH1-輸入、CH2-輸出)的建立時間。

CAEHCS電路具有比EHCS電路好很多的直流規格。其輸出電流失調為0.2 mA,而EHCS電路的輸出電流失調為10.9 mA。CAEHCS電路也具有很好的交流規格。兩者的建立時間均為100 ns。EHCS電路的頻寬為18 MHz,而CAEHCS電路的頻寬為8 MHz。

基於ADA4522-2和LT6275的CAEHCS性能如表7所示。ADA4522-2版本的輸出失調誤差更低,低至0.04 mA。LT6275的建立時間約為60 ns,輸出電流壓擺率高達16.6A/µs(如圖9所示)。

表7.CAEHCS中不同主放大器的測試結果
主放大器 Ios (mA) 建立時間(ns) 壓擺率(A/µs) 頻寬(MHz)
ADA4898 0.2 100 12.6 10
LT6275 0.8 60 16.6 11
ADA4522 0.04 1000 0.4 1.2
圖9.LT6275(CH1-輸入、CH2-輸出)的建立時間。

散熱考量

VCCS的輸出電流可以達到幾百毫安培。整體功耗可達幾瓦。如果輸出效率不高,元件的溫度將快速上升。ADA4870不使用散熱片時的熱阻(θJA)為15.95℃/W。溫升可採用公式7計算。

Equation 7

R0的取值將影響ADA4870的功耗。表8顯示了在±20 V電源電壓下選擇不同R0值的溫升。當選用較大的R0時,溫升會大大降低。因此,建議使用較大的R0以降低溫升。

表8.ADA4870的功耗和溫升與R0的關係(Io = 500 mA)
RL/Ω 功耗 (W) 溫升 (°C)
R0 = 2 Ω R0 = 10 Ω R0 = 2 Ω R0 = 10 Ω
1 6.92 4.92 110.4 78.5
5 5.92 3.92 94.5 62.6
10 4.67 2.67 74.6 42.7

結論

CAEHCS電路將高驅動放大器和高精度放大器相結合,可在VCCS應用中提供出色的交流和直流性能以及大輸出容量。建議在此電路中將ADA4870與ADA4898、LT6275和ADA4522結合使用。

作者

Nick Jiang

Nick Jiang

Nick Jiang is a product applications engineer in the Analog Devices Linear and Precision Technology Group, and he is based in Beijing. He graduated from Xi'an Jiaotong University, with a bachelor's and master's degree in electrical engineering.