如何减少接地负载电流源误差

运算放大器通常用于在工业流程控制、科学仪器和医疗设备等各种应用中产生高性能电流源。《模拟对话》1967 年第 1 卷第1 期上发表的“单放大器电流源”介绍了几种电流源电路，它们可以提供通过浮动负载或接地负载的恒流。在压力变送器和气体探测器等工业应用中，这些电路广泛应用于提供 4-mA 至20-mA 或 0-mA 至 20-mA 的电流。

图 1 所示的改进型 Howland 电流源非常受欢迎，因为它可以驱动接地负载。允许相对较高电流的晶体管可以用 MOSFET 取代，以便达到更高的电流。对于低成本、低电流应用，可以去除晶体管，如《模拟对话》2009 年第 43 卷第 3 期“精密电流源的心脏：差动放大器”所述。这种电流源的精度取决于放大器和电阻。本文介绍如何选择外部电阻以最大程度减少误差。

图 1. 改进型 Howland 电流源驱动接地负载。

通过对改进型 Howland 电流源进行分析，可以得出传递函数：

提示 1：设置 R2 + R5 = R4

在公式 1 中，负载电阻影响输出电流，但如果我们设置 R1 = R3和 R2 + R5 = R4，则方程简化为：

此处的输出电流只是 R3、R4和 R5的函数。如果有理想放大器，电阻容差将决定输出电流的精度。

提示 2：设置 RL = n × R5

为减少器件库中的总电阻数，请设置 R1 = R2 = R3 = R4。现在，公式 1 简化为：

如果 R5 = RL，则公式进一步简化为：

此处的输出电流仅取决于电阻 R5。某些情况下，输入信号可能需要衰减。例如，在处理 10 V 输入信号且 R5 = 100 Ω 的情况下，输出电流为 100 mA。要获得20 mA 的输出电流，请设置 R1 = R3 = 5R2 = 5R4。现在，公式 1简化为：

如果 RL = 5R5 = 500 Ω，则：

提示 3：R1/R2/R3/R4的值较大，可以改进电流精度

大多数情况下，R1 = R2 = R3 = R4，但 RL ≠ R5，因此输出电流如公式 3 所示。例如，在 R5 = 100 Ω 且 RL = 500 Ω 的情况下，图 2 显示电阻 R1与电流精度之间的关系。要达到 0.5%的电流精度，R1必须至少为 40 kΩ。

图 2. R1与输出电流精度之间的关系。

提示 4：电阻容差影响电流精度

实际电阻从来都不是理想的，每个电阻都具有指定的容差。图 3显示了示例电路，其中 R1 = R2 = R3 = R4 = 100 kΩ，R5 = 100 Ω，而且 RL = 500 Ω。在输入电压设置为 0.1 V 的情况下，输出电流应该为 1 mA。表 1 显示由于不同电阻容差而导致的输出电流误差。为达到 0.5%的电流精度，请为 R1/R2/R3/R4选择 0.01%的容差，为 R5选择 0.1%的容差，为 RL选择 5%的容差。0.01%容差的电阻成本昂贵，因此更好的选择是使用集成差动放大器（例如AD8276），它具有更好的电阻匹配，而且更加经济高效。

图 3. IOUT = 1 mA 的示例电路。

表 1. 最差情况输出电流误差(%)与电阻容差(%)

结论

在设计改进型 Howland 电流源时，需要选择外部电阻，使得输出电流不受负载电阻的影响。电阻容差会影响精度，必须在精度和成本之间权衡考虑。放大器的失调电压和失调电流也会影响精度。请查阅数据手册，确定放大器是否满足电路要求。可以使用 Multisim 进行仿真，了确这些规格对精度产生的影响。集成差动放大器具有较低的失调电压、失调电压漂移、增益误差和增益漂移，可以经济高效地实现精确稳定的电流源。