利用复合放大器实现高精度的±500 mA电流源
电压控制型电流源(vccs)广泛用于医疗器械、工业自动化等众多领域。vccs 的直流精度、交流性能和驱动能力在这些应用中至关重要。本文分析了增强型 howland 电流源(ehcs)电路的局限性，并阐述了如何利用复合放大器拓扑进行改进，以实现高精度、快速建立的±500 ma电流源。
增强型howland电流源
图1所示为传统的howland电流源(hcs)电路，而公式1显示了如何计算输出电流。如果r2足够大，输出电流将保持恒定。
图1.howland电流源电路
虽然较大的r2会降低电路速度与精度，但在反馈路由中插入一个缓冲器，形成一个增强型howland电流源可以解决这一问题，如图2所示。所有通过r0的电流都流入rl。输出电流由公式2计算。
图2.增强型 howland 电流源电路。
如果r1/r2 = r3/r4 = k，则该公式变为公式3。输出电流与负载无关，仅受输入电压控制。这是一个理想的vccs。
性能分析
公式3基于一个理想系统。图3显示了ehcs的直流误差分析模型。vos和ib+/ib–是主放大器的输入失调电压和偏置电流。vosbuf和ibbuf是缓冲器的输入失调电压和偏置电流。总输出误差可以通过公式4计算。
图3.失调电压计算。
忽略增益电阻的不匹配，并考虑r1/r2 = r3/r4= k，r1//r2= r3//r4。输出失调电流取决于放大器的失调和偏置电流，如公式5所示。
考虑r1/r2和r3/r4的不匹配，rl将会影响输出失调电流。最差相对误差如公式6所示。这个误差取决于rl/r0和k。减小负载电阻并提高k将减少失调误差。
我们还可以计算电路的温度漂移，它来自放大器和电阻。放大器的失调电压和偏置电流随工作温度而变化。对于大多数cmos输入放大器而言，温度每升高10℃，偏置电流便增加一倍。不同类型电阻的漂移变化很大。例如，碳膜电阻的tc约为1500 ppm/℃，而金属膜和体金属电阻的tc可能是1 ppm/℃。
选择精密放大器有利于输出电流的直流精度。然而，精密放大器的选择也存在许多局限性。其驱动能力和交流性能都不够好。表1列出了一些常见的精密放大器。
表1.精密放大器参数
我们希望构建一个±500 ma的电流源，建立时间为1 μs。对于电流源，我们需要高驱动能力。对于还要具有快速建立时间的电流源，我们需要出色的交流性能。一般来说，精密放大器无法提供这两个规范的组合，因为其压摆率和带宽不够好。这需要从其他类型的放大器中进行选择。
ehcs 实现
ada4870 是一款高速、高电压、高驱动能力的放大器。它可提供10 v至40 v电压，输出电流限制为1.2 a。大信号下的带宽超过52 mhz和压摆率高达2500 v/μs。所有这些规格使它很适合快速建立和大电流源。图4显示了基于ada4870的ehcs电路，它通过10 v输入可生成一个±500 ma输出电流源。
图4. 基于ada4870的ehcs电路。
在交流规格中，我们更关心建立时间、压摆率、带宽和噪声。如图5 所示，建立时间约为60 ns，带宽约为18 mhz。输出电流压摆率可以 通过测量上升阶段和下降阶段的斜率来计算。正负压摆率分别为 +25 a/μs和–25 a/μs。输出噪声密度曲线显示了噪声性能，在1 khz时 大约为24 nv/√hz。
图5. 基于ada4870的ehcs建立时间和频率响应。
图6. 基于ada4870的ehcs输出噪声密度曲线。
由于输入失调电压和偏置电流较大，该电路的直流精度不高。表2显示了不同的直流误差源与贡献。主要的直流误差来自ada4870的vos和ib。典型输出电流失调约为11.06 ma，这相当于500 ma全程时2.21%左右的误差范围。
表2. 基于ada4870的ehcs直流误差
复合放大器技术
ada4870这样的高驱动放大器的直流参数限制了输出电流的精度，而高精度放大器的速度又不够。为此，我们可以利用复合放大器技术在单个电路中集成所有这些特性。图7所示为一个复合放大器增强型howland电流源(caehcs)，它由ada4870和ada4898-2组成。
图7.复合放大器ehcs电路。
选择ada4898-2构成复合放大器是因为它具有出色的交流和直流性能。其-3 db带宽为63 mhz。它在输出阶跃为5 v时的0.1%建立时间为90ns，压摆率可达55 v/µs。它还具有超低噪声。电压噪声密度为0.9 nv/√hz，电流噪声密度为2.4 pa/√hz。至于直流规格参数，它的性能表现也很好。典型输入失调电压为20 µv，温度漂移为1 µv/°c。偏置电流为0.1 µa。表3显示了caehcs的直流误差。输出电流失调降低至0.121 ma，这意味着误差范围在0.03%以下。
表3.基于ada4898的caehcs直流误差
caehcs的交流性能如表4所示。由于复合放大器的环路延迟，其建立时间和带宽均低于ehcs。由于ada4898-2的电流噪声低，因此caehcs的输出噪声远低于ehcs的输出噪声。如数据手册中所标明的，ada4870的反向输入电流噪声密度为47 pa/√hz。通过使用几个kω级阻值的电阻，它将产生比电压噪声(2.1 nv/√hz)高很多的噪声。然而，caehcs中的输入电流噪声密度为2.4pa/√hz。它产生的输出噪声要低很多。
表4.caehcs的交流规格
首先，caehcs大大提高了vccs的直流精度，并具有同等驱动能力和交流性能。此外，可供选择的复合放大器产品很多，以满足不同的需求。表5显示了caehcs电路中不同放大器的性能。lt6275的交流性能最好。它的建立时间可达100 ns以内，压摆率高达15 a/µs。ada4522-2等零漂移放大器非常适合输出电流失调误差约为0.002 ma的高精度应用。
表5.caehcs中主放大器的选择
测试结果
基于ada4898的ehcs和cathcs的性能如表6和图8所示。
表6.ehcs与caehcs的比较
图8.ada4898-2(ch1-输入、ch2-输出)的建立时间。
caehcs电路具有比ehcs电路好很多的直流规格。其输出电流失调为0.2 ma，而ehcs电路的输出电流失调为10.9 ma。caehcs电路也具有很好的交流规格。两者的建立时间均为100 ns。ehcs电路的带宽为18 mhz，而caehcs电路的带宽为8 mhz。
基于ada4522-2和lt6275的caehcs性能如表7所示。
表7.caehcs中不同主放大器的测试结果
ada4522-2版本的输出失调误差更低，低至0.04 ma。lt6275的建立时间约为60 ns，输出电流压摆率高达16.6a/µs(如图9所示)。
图9.lt6275(ch1-输入、ch2-输出)的建立时间。
散热考虑
vccs的输出电流可以达到几百毫安。整体功耗可达几瓦。如果输出效率不高，器件的温度将快速上升。ada4870不使用散热器时的热阻(θja)为15.95℃/w。温升可采用公式7计算。
r0的取值将影响ada4870的功耗。表8显示了在±20 v电源电压下选择不同r0值的温升。当选用较大的r0时，温升会大大降低。因此，建议使用较大的r0以降低温升。
表8.ada4870的功耗和温升与r0的关系(io = 500 ma)
结论
caehcs电路将高驱动放大器和高精度放大器相结合，可在vccs应用中提供出色的交流和直流性能以及大输出容量。建议在此电路中将 ada4870 与 ada4898、lt6275和ada4522结合使用。
ada4870
非常适于驱动高容性或高阻性负载
宽电源电压范围：10 v至40 v
高输出驱动电流：1a
宽输出电压摆幅：采用40 v电源，摆幅为37 v
高压摆率：2,500 v/μs
宽带宽：52 mhz大信号带宽、70 mhz小信号带宽
低噪声：2.1 nv/√hz
静态电流：32.5 ma
掉电模式：0.75 ma
短路保护和标志
限流：1.2 a
热保护
关于世健
亚太区领先的元器件授权代理商
世健(excelpoint)是完整解决方案的供应商，为亚洲电子厂商包括原设备生产商(oem)、原设计生产商(odm)和电子制造服务提供商(ems)提供优质的元器件、工程设计及供应链管理服务。
世健是新加坡主板上市公司，拥有超过30年历史。世健中国区总部设于香港，目前在中国拥有十多家分公司和办事处，遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验，世健在中国业内享有领先地位。
原文标题：【世说设计】实用技巧分享：高精度、快速建立的大电流源
文章出处：【微信公众号：excelpoint世健】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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增强型howland电流源
图1所示为传统的howland电流源(hcs)电路，而公式1显示了如何计算输出电流。如果r2足够大，输出电流将保持恒定。
图1.howland电流源电路
虽然较大的r2会降低电路速度与精度，但在反馈路由中插入一个缓冲器，形成一个增强型howland电流源可以解决这一问题，如图2所示。所有通过r0的电流都流入rl。输出电流由公式2计算。
图2.增强型 howland 电流源电路。
如果r1/r2 = r3/r4 = k，则该公式变为公式3。输出电流与负载无关，仅受输入电压控制。这是一个理想的vccs。
性能分析
公式3基于一个理想系统。图3显示了ehcs的直流误差分析模型。vos和ib+/ib–是主放大器的输入失调电压和偏置电流。vosbuf和ibbuf是缓冲器的输入失调电压和偏置电流。总输出误差可以通过公式4计算。
图3.失调电压计算。
忽略增益电阻的不匹配，并考虑r1/r2 = r3/r4= k，r1//r2= r3//r4。输出失调电流取决于放大器的失调和偏置电流，如公式5所示。
考虑r1/r2和r3/r4的不匹配，rl将会影响输出失调电流。最差相对误差如公式6所示。这个误差取决于rl/r0和k。减小负载电阻并提高k将减少失调误差。
我们还可以计算电路的温度漂移，它来自放大器和电阻。放大器的失调电压和偏置电流随工作温度而变化。对于大多数cmos输入放大器而言，温度每升高10℃，偏置电流便增加一倍。不同类型电阻的漂移变化很大。例如，碳膜电阻的tc约为1500 ppm/℃，而金属膜和体金属电阻的tc可能是1 ppm/℃。
选择精密放大器有利于输出电流的直流精度。然而，精密放大器的选择也存在许多局限性。其驱动能力和交流性能都不够好。表1列出了一些常见的精密放大器。
表1.精密放大器参数
我们希望构建一个±500 ma的电流源，建立时间为1 μs。对于电流源，我们需要高驱动能力。对于还要具有快速建立时间的电流源，我们需要出色的交流性能。一般来说，精密放大器无法提供这两个规范的组合，因为其压摆率和带宽不够好。这需要从其他类型的放大器中进行选择。
ehcs 实现
ada4870 是一款高速、高电压、高驱动能力的放大器。它可提供10 v至40 v电压，输出电流限制为1.2 a。大信号下的带宽超过52 mhz和压摆率高达2500 v/μs。所有这些规格使它很适合快速建立和大电流源。图4显示了基于ada4870的ehcs电路，它通过10 v输入可生成一个±500 ma输出电流源。
图4. 基于ada4870的ehcs电路。
在交流规格中，我们更关心建立时间、压摆率、带宽和噪声。如图5 所示，建立时间约为60 ns，带宽约为18 mhz。输出电流压摆率可以 通过测量上升阶段和下降阶段的斜率来计算。正负压摆率分别为 +25 a/μs和–25 a/μs。输出噪声密度曲线显示了噪声性能，在1 khz时 大约为24 nv/√hz。
图5. 基于ada4870的ehcs建立时间和频率响应。
图6. 基于ada4870的ehcs输出噪声密度曲线。
由于输入失调电压和偏置电流较大，该电路的直流精度不高。表2显示了不同的直流误差源与贡献。主要的直流误差来自ada4870的vos和ib。典型输出电流失调约为11.06 ma，这相当于500 ma全程时2.21%左右的误差范围。
表2. 基于ada4870的ehcs直流误差
复合放大器技术
ada4870这样的高驱动放大器的直流参数限制了输出电流的精度，而高精度放大器的速度又不够。为此，我们可以利用复合放大器技术在单个电路中集成所有这些特性。图7所示为一个复合放大器增强型howland电流源(caehcs)，它由ada4870和ada4898-2组成。
图7.复合放大器ehcs电路。
选择ada4898-2构成复合放大器是因为它具有出色的交流和直流性能。其-3 db带宽为63 mhz。它在输出阶跃为5 v时的0.1%建立时间为90ns，压摆率可达55 v/µs。它还具有超低噪声。电压噪声密度为0.9 nv/√hz，电流噪声密度为2.4 pa/√hz。至于直流规格参数，它的性能表现也很好。典型输入失调电压为20 µv，温度漂移为1 µv/°c。偏置电流为0.1 µa。表3显示了caehcs的直流误差。输出电流失调降低至0.121 ma，这意味着误差范围在0.03%以下。
表3.基于ada4898的caehcs直流误差
caehcs的交流性能如表4所示。由于复合放大器的环路延迟，其建立时间和带宽均低于ehcs。由于ada4898-2的电流噪声低，因此caehcs的输出噪声远低于ehcs的输出噪声。如数据手册中所标明的，ada4870的反向输入电流噪声密度为47 pa/√hz。通过使用几个kω级阻值的电阻，它将产生比电压噪声(2.1 nv/√hz)高很多的噪声。然而，caehcs中的输入电流噪声密度为2.4pa/√hz。它产生的输出噪声要低很多。
表4.caehcs的交流规格
首先，caehcs大大提高了vccs的直流精度，并具有同等驱动能力和交流性能。此外，可供选择的复合放大器产品很多，以满足不同的需求。表5显示了caehcs电路中不同放大器的性能。lt6275的交流性能最好。它的建立时间可达100 ns以内，压摆率高达15 a/µs。ada4522-2等零漂移放大器非常适合输出电流失调误差约为0.002 ma的高精度应用。
表5.caehcs中主放大器的选择
测试结果
基于ada4898的ehcs和cathcs的性能如表6和图8所示。
表6.ehcs与caehcs的比较
图8.ada4898-2(ch1-输入、ch2-输出)的建立时间。
caehcs电路具有比ehcs电路好很多的直流规格。其输出电流失调为0.2 ma，而ehcs电路的输出电流失调为10.9 ma。caehcs电路也具有很好的交流规格。两者的建立时间均为100 ns。ehcs电路的带宽为18 mhz，而caehcs电路的带宽为8 mhz。
基于ada4522-2和lt6275的caehcs性能如表7所示。
表7.caehcs中不同主放大器的测试结果
ada4522-2版本的输出失调误差更低，低至0.04 ma。lt6275的建立时间约为60 ns，输出电流压摆率高达16.6a/µs(如图9所示)。
图9.lt6275(ch1-输入、ch2-输出)的建立时间。
散热考虑
vccs的输出电流可以达到几百毫安。整体功耗可达几瓦。如果输出效率不高，器件的温度将快速上升。ada4870不使用散热器时的热阻(θja)为15.95℃/w。温升可采用公式7计算。
r0的取值将影响ada4870的功耗。表8显示了在±20 v电源电压下选择不同r0值的温升。当选用较大的r0时，温升会大大降低。因此，建议使用较大的r0以降低温升。
表8.ada4870的功耗和温升与r0的关系(io = 500 ma)
结论
caehcs电路将高驱动放大器和高精度放大器相结合，可在vccs应用中提供出色的交流和直流性能以及大输出容量。建议在此电路中将 ada4870 与 ada4898、lt6275和ada4522结合使用。
ada4870
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宽电源电压范围：10 v至40 v
高输出驱动电流：1a
宽输出电压摆幅：采用40 v电源，摆幅为37 v
高压摆率：2,500 v/μs
宽带宽：52 mhz大信号带宽、70 mhz小信号带宽
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原文标题：【世说设计】实用技巧分享：高精度、快速建立的大电流源
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