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如何選擇外部電阻以最大程度減少電流源誤差

發(fā)布時間:2013-07-01 責(zé)任編輯:Cynthiali

【導(dǎo)讀】在設(shè)計廣受歡迎的改進(jìn)型Howland電流源時,需要選擇外部電阻,使得輸出電流不受負(fù)載電阻的影響。電阻容差會影響精度,必須在精度和成本之間權(quán)衡考慮。本文介紹如何選擇外部電阻以最大程度減少誤差。

運算放大器通常用于在工業(yè)流程控制、科學(xué)儀器和醫(yī)療設(shè)備等各種應(yīng)用中產(chǎn)生高性能電流源。圖1所示的改進(jìn)型Howland電流源非常受歡迎,因為它可以驅(qū)動接地負(fù)載。允許相對較高電流的晶體管可以用MOSFET取代,以便達(dá)到更高的電流。對于低成本、低電流應(yīng)用,可以去除晶體管。

這種電流源的精度取決于放大器和電阻,電阻容差會影響精度,放大器的失調(diào)電壓和失調(diào)電流也會影響精度??梢允褂?Multisim 進(jìn)行仿真,了確這些規(guī)格對精度產(chǎn)生的影響。而集成差動放大器具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、增益誤差和增益漂移,可以經(jīng)濟(jì)高效地實現(xiàn)精確穩(wěn)定的電流源。

下面介紹如何選擇外部電阻以最大程度減少誤差。

                                    圖1. 改進(jìn)型Howland電流源驅(qū)動接地負(fù)載。
                                    圖1. 改進(jìn)型Howland電流源驅(qū)動接地負(fù)載。

通過對改進(jìn)型Howland電流源進(jìn)行分析,可以得出傳遞函數(shù):
   
(1)

提示1:設(shè)置R2 + R5 = R4

在公式1中,負(fù)載電阻影響輸出電流,但如果我們設(shè)置R1 = R3和R2 + R5 = R4, 則方程簡化為:
   
(2)如何選擇外部電阻以最大程度減少電流源誤差

此處的輸出電流只是R3、R4和R5的函數(shù)。如果有理想放大器,電阻容差將決定輸出電流的精度。

提示2:設(shè)置RL = n × R5

為減少器件庫中的總電阻數(shù),請設(shè)置R1 = R2 = R3 = R4?,F(xiàn)在,公式1簡化為:
   
(3)如何選擇外部電阻以最大程度減少電流源誤差

如果R5 = RL,則公式進(jìn)一步簡化為:
   
(4)如何選擇外部電阻以最大程度減少電流源誤差

此處的輸出電流僅取決于電阻R5。

某些情況下,輸入信號可能需要衰減。例如,在處理10 V輸入信號且R5 = 100 Ω的情況下,輸出電流為100 mA。要獲得20 mA的輸出電流,請設(shè)置R1 = R3 = 5R2 = 5R4?,F(xiàn)在,公式1簡化為:
如何選擇外部電阻以最大程度減少電流源誤差
如果RL = 5R5 = 500 Ω,則:
   
(5)如何選擇外部電阻以最大程度減少電流源誤差

提示3:R1/R2/R3/R4的值較大,可以改進(jìn)電流精度

大多數(shù)情況下,R1 = R2 = R3 = R4,但RL ≠ R5,因此輸出電流如公式3所示。例如,在R5 = 100 Ω且RL = 500 Ω的情況下,圖2顯示電阻R1與電流精度之間的關(guān)系。要達(dá)到0.5%的電流精度,R1必須至少為40 kΩ。

                                       圖2. R1與輸出電流精度之間的關(guān)系。
                                                               圖2. R1與輸出電流精度之間的關(guān)系。

提示4:電阻容差影響電流精度


實際電阻從來都不是理想的,每個電阻都具有指定的容差。圖3顯示了示例電路,其中R1 = R2 = R3 = R4 = 100 kΩ,R5 = 100 Ω,而且RL = 500 Ω。在輸入電壓設(shè)置為0.1 V的情況下,輸出電流應(yīng)該為1 mA。表1顯示由于不同電阻容差而導(dǎo)致的輸出電流誤差。為達(dá)到0.5%的電流精度,請為R1/R2/R3/R4選擇0.01%的容差,為R5選擇0.1%的容差,為RL選擇5%的容差。0.01%容差的電阻成本昂貴,因此更好的選擇是使用集成差動放大器(例如 AD8276,它具有更好的電阻匹配,而且更加經(jīng)濟(jì)高效。
                                                圖3.IOUT= 1 mA的示例電路。
                                                     圖3.IOUT= 1 mA的示例電路。

表1. 最差情況輸出電流誤差(%)與電阻容差(%)
表1. 最差情況輸出電流誤差(%)與電阻容差(%)
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