如何利用復(fù)合放大器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)高精度、快速建立的電流源(一)
電壓控制型電流源(VCCs)廣泛用于醫(yī)療器械、工業(yè)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。VCCs 的直流精度、交流性能和驅(qū)動(dòng)能力在這些應(yīng)用中至關(guān)重要。本文分析了增強(qiáng)型 Howland 電流源(EHCS)電路的局限性,并闡述了如何利用復(fù)合放大器拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn),以實(shí)現(xiàn)高精度、快速建立的±500 mA電流源。
增強(qiáng)型Howland電流源
圖1所示為傳統(tǒng)的Howland電流源(HCS)電路,而公式1顯示了如何計(jì)算輸出電流。如果R2足夠大,輸出電流將保持恒定。
圖1.Howland電流源電路
雖然較大的R2會(huì)降低電路速度與精度,但在反饋路由中插入一個(gè)緩沖器,形成一個(gè)增強(qiáng)型Howland電流源可以解決這一問(wèn)題,如圖2所示。所有通過(guò)R0的電流都流入RL。輸出電流由公式2計(jì)算。
圖2.增強(qiáng)型 Howland 電流源電路。
如果R1/R2 = R3/R4 = k,則該公式變?yōu)楣?。輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān),僅受輸入電壓控制。這是一個(gè)理想的VCCS。
性能分析
公式3基于一個(gè)理想系統(tǒng)。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(diào)電壓和偏置電流。VOSbuf和IBbuf是緩沖器的輸入失調(diào)電壓和偏置電流??傒敵稣`差可以通過(guò)公式4計(jì)算。
圖3.失調(diào)電壓計(jì)算。
忽略增益電阻的不匹配,并考慮R1/R2 = R3/R4= k,R1//R2= R3//R4。輸出失調(diào)電流取決于放大器的失調(diào)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(huì)影響輸出失調(diào)電流。最差相對(duì)誤差如公式6所示。這個(gè)誤差取決于RL/R0和k。減小負(fù)載電阻并提高k將減少失調(diào)誤差。
我們還可以計(jì)算電路的溫度漂移,它來(lái)自放大器和電阻。放大器的失調(diào)電壓和偏置電流隨工作溫度而變化。對(duì)于大多數(shù)CMOS輸入放大器而言,溫度每升高10℃,偏置電流便增加一倍。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/℃。
選擇精密放大器有利于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(qū)動(dòng)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。
表1.精密放大器參數(shù)
我們希望構(gòu)建一個(gè)±500 mA的電流源,建立時(shí)間為1 μs。對(duì)于電流源,我們需要高驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)于還要具有快速建立時(shí)間的電流源,我們需要出色的交流性能。一般來(lái)說(shuō),精密放大器無(wú)法提供這兩個(gè)規(guī)范的組合,因?yàn)槠鋲簲[率和帶寬不夠好。這需要從其他類型的放大器中進(jìn)行選擇。
EHCS 實(shí)現(xiàn)
ADA4870 是一款高速、高電壓、高驅(qū)動(dòng)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。大信號(hào)下的帶寬超過(guò)52 MHz和壓擺率高達(dá)2500 V/μs。所有這些規(guī)格使它很適合快速建立和大電流源。圖4顯示了基于ADA4870的EHCS電路,它通過(guò)10 V輸入可生成一個(gè)±500 mA輸出電流源。
圖4. 基于ADA4870的EHCS電路。
在交流規(guī)格中,我們更關(guān)心建立時(shí)間、壓擺率、帶寬和噪聲。如圖5 所示,建立時(shí)間約為60 ns,帶寬約為18 MHz。輸出電流壓擺率可以 通過(guò)測(cè)量上升階段和下降階段的斜率來(lái)計(jì)算。正負(fù)壓擺率分別為 +25 A/μs和–25 A/μs。輸出噪聲密度曲線顯示了噪聲性能,在1 kHz時(shí) 大約為24 nV/√Hz。
圖5. 基于ADA4870的EHCS建立時(shí)間和頻率響應(yīng)。
圖6. 基于ADA4870的EHCS輸出噪聲密度曲線。
由于輸入失調(diào)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(xiàn)。主要的直流誤差來(lái)自ADA4870的Vos和IB。典型輸出電流失調(diào)約為11.06 mA,這相當(dāng)于500 mA全程時(shí)2.21%左右的誤差范圍。