如何实现高精度、快速建立的大电流源?

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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测试结果

基于ADA4898的EHCS和CATHCS的性能如表6和图8所示。

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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。

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