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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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/℃。
| 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。
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。
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。
| 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。
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。
| 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。
| 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。
| 主放大器 | EHCS | CAEHCS |
| ADA4898 | 好 | 好 |
| LT6275 | 好 | 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。
| 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 | |
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）。
| 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 |
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。
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。
| 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。
