差動(dòng)放大器是精密電流源的核心

作者：Neil Zhao, Reem Malik, and Wenshuai Liao

精密電流源在許多應(yīng)用中提供恒定電流，包括工業(yè)過程控制、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)產(chǎn)品。例如，電流源用于為過程控制系統(tǒng)中的電阻溫度檢測(cè)器（RTD）提供激勵(lì);測(cè)量數(shù)字萬(wàn)用表中的未知電阻、電容器和二極管;并驅(qū)動(dòng)4 mA至20 mA電流環(huán)路，廣泛用于長(zhǎng)距離傳輸信息。

傳統(tǒng)上，精密電流源是使用運(yùn)算放大器、電阻器和其他分立元件構(gòu)建的，其局限性在于尺寸、精度和溫度漂移?，F(xiàn)在，可以使用AD8276等高精度、低功耗、低成本集成式差動(dòng)放大器來實(shí)現(xiàn)更小、更高性能的電流源，如圖1所示。反饋緩沖器使用具有低失調(diào)和低偏置電流的放大器，例如AD8538、AD8603、AD8605、AD8628、AD8655、AD8661、AD8663、OP177或OP1177，具體取決于所需的電流范圍。

圖1.差動(dòng)放大器和運(yùn)算放大器構(gòu)成精密電流源。

輸出電流的計(jì)算公式如下：

如果 RG1= RG2= RF1= RF2，方程可以簡(jiǎn)化為：

最大輸出電流受運(yùn)算放大器輸入范圍、差動(dòng)放大器輸出范圍和差動(dòng)放大器SENSE引腳電壓范圍的限制。必須滿足以下三個(gè)條件：

在運(yùn)算放大器輸入范圍內(nèi)

在 SENSE 引腳電壓范圍內(nèi) = 2×（–Vs） – 0.2 V 至 2×（+Vs） – 3 V

在AD8276輸出電壓范圍內(nèi) = –Vs + 0.2 V 至 +Vs – 0.2 V

SENSE引腳可以承受幾乎是電源兩倍大的電壓，因此第二個(gè)限制將非常寬松。2.5 V至36 V寬電源電壓范圍使AD8276非常適合許多應(yīng)用。A級(jí)和B級(jí)的最大增益誤差分別為0.05%和0.02%，可實(shí)現(xiàn)精度高達(dá)0.02%的電流源。

配置變化

對(duì)于可以容忍更多誤差的成本敏感型應(yīng)用，可以通過移除反饋緩沖器來簡(jiǎn)化電路，如圖2所示。

跟

輸出電流為：

為

圖2.簡(jiǎn)化的電路省去了反饋放大器。

如果所需的輸出電流小于15 mA（AD8276的輸出能力），則可以省去升壓晶體管，如圖3所示。如果低電流和降低的精度都可以接受，則可以采用圖4中更簡(jiǎn)單、成本更低的配置。

圖3.適用于低電流應(yīng)用的簡(jiǎn)化電路。

圖4.適用于低成本、低電流應(yīng)用的簡(jiǎn)化電路。

圖5所示拓?fù)淇捎糜诟唠娏鳌⒏呔葢?yīng)用，不受運(yùn)算放大器輸入范圍的限制。

圖5.差動(dòng)放大器和匹配電阻構(gòu)成精密電流源。

輸出電流可以計(jì)算為：

如果理想匹配，RG1= RG2= RF1= RF2= 40 kΩ 和 R1= R2，輸出電流為：

外部電阻器 R1和 R2應(yīng)該具有超高精度和匹配性，否則輸出電流會(huì)隨負(fù)載而變化，這是軟件無法糾正的錯(cuò)誤。

周邊組件

輸入電壓，V裁判，可以是DAC輸出、基準(zhǔn)電壓源或傳感器輸出。如果需要可編程電流源，推薦使用精密14位或16位DAC，例如AD5640、AD5660、AD5643R和AD5663R。對(duì)于基準(zhǔn)電壓源，建議使用精密ADR42x、ADR44x以獲得更高的性能; 建議將ADR36x用于低功耗;建議使用AD158x和ADR504x，以實(shí)現(xiàn)低成本;對(duì)于小尺寸，建議使用ADR82x集成運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源。

基準(zhǔn)電壓源可以連接到AD8276的反相或同相輸入。如果使用同相輸入，共模電壓將為

輸出電流將為

如果使用反相輸入，共模電壓將為

輸出電流將為

使用反相輸入時(shí)，需要一個(gè)緩沖放大器;因此，為簡(jiǎn)單起見，建議使用同相輸入。

晶體管選擇

選擇升壓晶體管時(shí)，請(qǐng)確保VC高于電源電壓，IC高于所需的輸出電流。建議使用低成本設(shè)備，例如 2N3904、2N4401 和 2N3391。對(duì)于較低的電流，不需要晶體管。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)果和分析

使用圖1電路測(cè)得的輸入電壓與輸出電流的關(guān)系如圖6所示。AD8276和AD8603采用+5 V供電。R1的公差為0.1%。晶體管是2N3904?；鶞?zhǔn)電壓源從0.05 V掃描至1.20 V，步進(jìn)為0.01 V。輸入范圍受電源和AD8603輸入范圍的限制。

最大誤差為 0.87%，平均值為 0.10%。電流檢測(cè)誤差受外部電阻器的限制。更高精度的電阻器將產(chǎn)生更高精度的電流源。

圖6.使用差分放大器和反饋放大器的測(cè)試結(jié)果

結(jié)論

AD8276差動(dòng)放大器具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移、低增益誤差、低增益漂移和集成電阻，可用于實(shí)現(xiàn)精確、穩(wěn)定的電流源。其寬電源范圍（2.5 V至36 V）使其能夠適應(yīng)各種負(fù)載。其節(jié)省空間的 8 引腳 MSOP 封裝和低功耗使其成為電池供電和便攜式系統(tǒng)的理想選擇。利用差動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)精密電流源可以減小PCB面積，簡(jiǎn)化布局，降低系統(tǒng)成本并提高可靠性。

審核編輯：郭婷