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 是ADI中国应用支持部门的一名现场应用工程师,在ADI有两年多的工作经历。他负责为ADI中国的核心产品和技术部门提供技术支持工作。2008年1月,Neil毕业于北京航空航天大学,并获得通信与信息系统硕士学位。

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。