采用差動放大器AD8276實現精密電流源的優越性

采用精密電流源提供恒定電流已應用于眾多領域， 包括工業過程控制、儀器儀表、醫療設備和消費電子產品。例如，過程控制系統利用電流源提供電阻溫度檢測器(RTD)所需的激勵電流；數字萬用表利用電流源測量未知電阻、電容和二極管；長距離信息傳輸廣泛使用電流源來驅動4mA至20mA電流環路。

圖1 差動放大器和運算放大器構成精密電流源

精密電流源傳統上采用運算放大器、電阻和其它分立器件構建，但存在尺寸、精度和溫度漂移等方面的不足。現在，高精度、低功耗、低成本集成差動放大器（例如AD8276）的出現，使得尺寸更小、性能更高的電流源變成現實，如圖1所示。反饋緩沖器使用低失調、低偏置電流放大器，例如AD8538、AD8603、AD8605、AD8628、AD8655、AD8661、AD8663、OP177或OP1177，具體取決于所需電流范圍。

輸出電流可以通過下式計算：



最大輸出電流受以下因素限制：運算放大器輸入范圍、差動放大器輸出范圍以及差動放大器SENSE引腳電壓范圍。必須滿足下列三個條件：


SENSE引腳可以耐受幾乎為電源兩倍的電壓，因此第二個限制條件相當寬松。2.5V至36V的寬電源電壓范圍使得AD8276成為許多應用的理想之選。A級和B級的最大增益誤差分別為0.05%和0.02%，因此電流源精度最高可達0.02%。

配置變化

對于可以接受稍大誤差的低成本應用，可以移除反饋緩沖器以簡化電路，如圖2所示。

圖2 去掉反饋放大器的簡化電路


如果所需輸出電流小于AD8276的輸出能力15 mA，則可去掉升壓晶體管，如圖3所示。如果低電流和降低精度均能接受，則可采用更為簡單的低成本配置，如圖4所示。

圖3 針對低電流應用的簡化電路

圖4 針對低成本、低電流應用的簡化電路

圖5所示的拓撲結構可以用于高電流、高精度應用，運算放大器輸入范圍無限制。

圖5 差動放大器和匹配電阻構成精密電流源



外部電阻R1和R2應具有超高精度和匹配度，否則輸出電流將隨負載而變化，由此產生的誤差無法通過軟件來校正。外圍器件

輸入電壓VREF可以是DAC輸出、基準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，如AD5640、AD5660、AD5643R和AD5663R等。至于基準電壓源，要求更高性能時推薦使用精密基準源ADR42x和ADR44x；要求低功耗時推薦使用ADR36x；要求低成本時推薦使用AD158x和ADR504x；要求小尺寸時推薦使用集成運算放大器與基準電壓源ADR82x。



晶體管選擇

選擇升壓晶體管時，務必使VC高于電源電壓，并使IC高于所需輸出電流。推薦使用2N3904、2N4401和2N3391等低成本晶體管。電流較低時，無需使用晶體管。

實驗基準結果和分析

使用圖1電路測得的輸入電壓與輸出電流的關系如圖6所示。AD8276和AD8603采用+5V電源供電，R1的容差為0.1%，晶體管為2N3904，基準電壓以0.01V步進從0.05V掃描至1.20V，輸入范圍受電源和AD8603輸入范圍的限制。


圖6 使用差動放大器和反饋放大器的測試結果

最大誤差為0.87%，平均誤差為0.10%。電流檢測誤差受外部電阻的限制。較高精度的電阻可以產生較高精度的電流源。

結束語

差動放大器AD8276具有低失調電壓、低失調電壓漂移、低增益誤差、低增益漂移特性以及集成電阻，可以用來實現精確、穩定的電流源。寬電源電壓范圍（2.5V至36V）使其能支持各種各樣的負載。節省空間的8引腳MSOP封裝和低功耗特性，則使它非常適合電池供電的便攜式系統。采用差動放大器實現精密電流源可以縮小PCB面積，簡化布局，降低系統成本，提高可靠性。