电流源电路

电流源电路【1】howland电流源电路（一）

         最近研究了一些典型的电流源电路。阅读了几遍经典的电流源电路设计应用手册。结合工作中的经验把它他整理出来分享给大家。力争在这一系列文档里，把常见的电流源电路分析全面。

       第一小节，先从我最近刚刚设计的一个howland电路开始。一个项目要求将交流电压信号变化为输出+/-50mA的交流电流信号，以便长距离传输。输入信号为有效值为+/-5V的50Hz交流电压信号。信号误差要保持在1%以内。供电用+/-12V到+/15V都可以。这个电路可以用分立器件来设计，用运放驱动一个AB类功放。AB类功放的输出端串联一个电阻作为取样电阻。电流流过取样电阻形成的电压信号即为反馈信号。这样设计有突出的缺点，使用分立器件较多，输出器过于复杂，还不易控制精度。因此本文推荐一个更为简单的电路——howland电流源电路。Howland 电路的基本原理图如下：其中X1G表示理想运放。

根据理想运放的虚短、虚断特性我们可以推导出此howland电路输出电流与输入电压VP，VM的关系公式如下:[2]

在实际的电路设计中我们通常使得RX=RF and RZ=RI。 这样上面的公式就可以简化为：

电路输入的信号是单极性电压信号，可以把VM接地，即电压为0。这样可以进一步简化公式来确定各电阻的值。

电流源电路【2】howland电流源电路（二）

根据上一小节的要求和howland电路设计原理。方案设计如下图：

电路选用最大可以输出200mA的大电流运放OPA551。使用单运放来实现高精度的正负电流输出。OPA551的最大失调电压为5mV。而本设计要求的最大输入信号为7.071V。因此失调电压的影响会小于0.1%。电流流过的四个高精度电阻R5-R8形成的电压信号作为反馈信号反馈给正输入端电阻R4。使用四个电阻的原因是，四个电阻可以分担输出的电流，保证电阻的产生的热量远低于额定功率; 再则这样可以匹配出更精确的阻值。在实现生产中，也可以减小电阻的随机误差。为了保证精度，R1-R4的电阻值推荐选用0.1%（千分之一）精度的电阻值。C1是用来限制电路带宽，同时对滤降频率较高的噪声的。

接下来，我们用TI免费的仿真软件TINA对其进行仿真。仿真结果如下：从仿真结果来年，这个设计误差会小于0.2%。

这个电路还可以进一步作改进设计，如下图，将反馈电压信号经过一个高精度运放OPA188作跟随反馈给R4. 这样可以保证反馈信号的不会受到输入信号的影响。在图中，U1、U2均引入了负反馈，前者构成同相求和运算电路，后者构成电压跟随器。

 

在实际制板测试过程中，精度会略有影响，因此推荐在PCB生产完之后，根据实际的电路，微调一下反馈电阻的值来保证精度。以达到更高的精度。

参考文献

1. Pedro Bertemes-Filho, Alexandre Felipe, Volney C. Vincence ,“ High Accurate Howland Current Source: Output Constraints Analysis,” Circuits and Systems, 2013, 4, 451-458 . http://dx./10.4236/cs.2013.47059 
2. Tim Green, The Improved Howland Current Pump. https://www./url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CCsQFjAB&url=http%3A%2F%2Fe2e.%2Fcfs-file.ashx%2F__key%2Ftelligent-evolution-components-attachments%2F00-18-01-00-00-19-28-47%2FImproved-Howland-Current-Pump.ppt&ei=ffYCVITEO8z58QXpyYHAAw&usg=AFQjCNGGB-2EOjMSVkur47U9Yi5VNy6-cw&bvm=bv.74115972,d.dGc&cad=rjt

电流源电路【3】微安电流源电路

在一些测试系统中经常用到uA级的电流源用来驱动传感器。因此接下来的几个小节我们介绍一些基于REF200的uA级电流源的设计，以方便需要这方面参考设计的工程师。

首先我们花点篇幅介绍一下这颗可以七十二变的电流源吧。如下面的原理框图，REF200内部集成了两路独立的100uA电流源，还有一个1:1的电流镜。

这两路100uA的初始精度均为0.5%的，关键一点，它的温漂特别小，只有±25ppm/°C。另外它的工作电压范围特别宽为2.5V到40V。即可以在电池供电的系统里应用，又可以在宽电压工业系统中应用。

有了两个100uA的电流源，我们可以方便的搭配出50uA, 100uA, 200uA, 300uA, 400uA的电流源来。在数据手册中也有介绍，我们在这里再列举出来，方便大家查找使用。

从最小的50uA说起，如下图是一个50uA灌电流的电流源，把100uA电流源连接到电流镜的公共极，另一端接负电源。刚流过两个电流镜的电流均为50uA，把其中一端接地，另一端就是一个50uA的灌电流源了。

介绍了50uA的灌电流源，再介绍一个源电流的。如下图所示，在上面电路的电源镜的右臂上再加一个100uA的电流源。它其中的50uA流入了电流镜，额外的50uA就流出来的。简单方便。

有两个100uA的电流源，来设计200uA的电流源，就方便了，可以直接用两个100uA的电流源并联，也可以像下图使用电流镜的方式。

那300uA和400uA的电流源也不难设计，300uA电流源如下图所示，电流镜上两臂各100uA。再外加一个独立的100uA就实现出来了。

400uA的电流也很简单，把两个100uA电流源都接到电流镜的左臂上。则总的电流就会是400uA。

 

电流源电路【4】微安电流源电路（二）

上一小节，简单介绍了几个基于REF200的高精度电流源的方案。它们的共同特点就是电路简单，温漂小。但设计都是几组固定值，如果我们想要一个任意值的电流源，该如何设计呢？这一小节主要介绍使用REF200来实现任意值的电流源的方法。

我们先试想一下，如果我们有100uA的电流源，那怎样设计出任意值的电流源呢，如220uA，47uA? 好像是个问题。不过我们可以沿着这个思路来实现这个设计，我们有100uA的电流源，理论上就可以设计出M*100uA电流源。这个M可以是整数也可以是小数。这个比例可以用不同的电阻实现。如下图所示

 

 

通过调整R1和R2的关系就可以实现(N+1)*100uA的电流源。这个电路的基本原理利用运放的跟随原理。来保证两个电阻上的电压值是相等的，则流过电阻的电流之比，就是两个电阻的反比。这个电路，对运放的输出驱动能力，输入偏置电流和失调电压要求都比较高。因此像TI的OPA602是比较合适的。同样的两个电阻也需要高精度(0.1%)，低温漂的电阻。

如果需要比100uA小的电流源呢，可以实使用下面的电路来实现。它的输出Iout=N*100uA.

 

 

如下表，选用不同的电阻比例，就可以实现不同的电流源。同样的这个设计对运放和电阻都有同上一个设计的要求。推荐高精度的运放OPA602或OPA128等都不错。

电流源电路【5】TI Design 几种电流源参考设计

TI Design 上线以来很受工程师的欢迎。TI的产品线应用工程师，也设计出几款经典的电流源电路，最小是5uA，最大2A。每一个方案都给出了完整的原理图，仿真文件，PCB layout以及测试结果。 接下来对这几个方案一一做一下简单介绍，并给出网络链接地址，方便大家查询和参考使用。

1.       0-5V输入，0-5uA输出的电流源。

电路原理图如下，其中第一级运放选用的是超低失调电压的单电源运放OPA333。采样放大选用的是高精度的单电源仪表放大器INA326。全部资料的网址如下链接。

http://www./tool/TIPD107?keyMatch=V-to-I%20Converter&tisearch=Search-EN

 

 我们花一点时间来分析这个电流源的电路，抛板砖引美玉。其他的电流源电路差不多都是这个原理的。电流源电路中的电流设 定一般都是由钳位住采样电阻上的电压来确定的。因此下图电路中的 Rset=100k就是采样电阻。流过它的电流形成的电压Vset=0.1V 经仪表放大器放大后输入到运放的负向输入端。由于运放“虚短”，则运放会保持Vout_ina与Vin为同一电压。这样当Vin变化时，Rset上的电压也会等比例变化。从而受控的电流也是同比例变化。

2.       0-2V输入，0-100mA输出的电流源

电路原理图如下，原理也很简单，图中A1,Q1和Rs1构成第一级电流源，然后经后面的比例镜像电流源给负载输出。这个设计可以达到千分之一。全部资料的网址如下链接。

http://www./tool/TIPD102?keyMatch=Voltage-to-Current&tisearch=Search-EN

 

3.       0-2V输入，0-100mA输出的电流源

电路原理图如下，图中Rs是采样电阻，它的电压值等于Vin。这个设计可以达到百分之一精度。这个电路的供电电源为12V。全部资料的网址如下链接。

http://www./tool/TIPD101?keyMatch=Voltage-to-Current&tisearch=Search-EN

 4.       0.5 - 4.5 V输入，+/-2 A输出的电流源

这个电路是用两个大电流输出的运放，其中用到了2.5V基准源来设置偏置。具体原理推导请参考设计文件

http://www./tool/tipd103?keyMatch=BTL&tisearch=Search-EN

 

小结：

这几个方案都是用全模拟电路实现的，都用到了Rset电阻来设置电流源。因此我们可以简单分析出下面的原因会影响到精度。

1. Rset电阻的精度和温漂。
2. 放大电路的精度，主要是失调电压、偏置电流以及设计增益的电阻的精度。
3. 环路稳定和噪声水平

如果想把上面的电流源设计成恒流源，把输入电压，换成低温漂的电压基准即可。

电流源电路【6】4-20mA电流源方案

谈电流源，就不得不提4-20mA电流源。4-20mA电流源是工业控制中常用信号。以及传输距离长和抗电压干扰强而广泛应用 。这一小节来介绍一下TI所有的4-20mA方案，以便大家选择。

如下图所示是一个典型的应用4-20mA电流来传输信号的系统。图中很简明的介绍了两线4-20mA应用场景和三线4-20mA应用场景，下面介绍的总结一下：

1. 两线4-20mA发送器，应用场景

（1）      一般用在远端传感器端。

（2）      由本地来提供环路电源

（3）      一般发送器不干别的事，只是采集相关参数通过电流源传出去。

1. 两线4-20mA发送器，应用场景

（1）      一般放在控制器本地。

（2）      一般可视为电压电流变化或电流输出DAC，发送4-20mA给远端一个控制信号

（3）      由本地电源供电

 

 

下面的一张图就可以清淅明了的了解TI全部4-20mA变送器芯片。

  

上面的这些产品都是模拟控制4-20mA输出的产品，不管电压输入，还是电流输入的。控制信号都是模拟信号。很多工程师都期待要是有4-20mA输出的高精度DAC就好了。目前TI大大的丰富4-20mA输出的DAC产品。

主要有两个系统，一个是SVA（原国半）产品线的DAC161P997和DAC161S997。如下图就是DAC161S997的原理图，它支持远端供电，单电源工作，SPI通信接口。DAC161P997与之最大区别就是，DAC161P997支持单线通信接口SWI。两者都集成了高精度的内部基准源。并能只证在0-100°C内达0.1% 的精度。

 

下面是DAC161S997应用的原理框图

TI还推出了可同时输出4-20mA电流和+/-10V电压的DAC方案，那就是DAC8760(16bits),DAC7760(12bits),。还有只支持4-20mA电流输出的DAC8750(16bits)和DAC7750(12bits),。我们通过下面的DAC8760的框图来对这一系列做一简要介绍：

• 支持电流输出: 4-20 mA, 0-20 mA, 0-24 mA
• 支持电压输出范围: 0-5V, 0-10V, +/-5V, +/-10V
• 精度： 0.1% FSR
• 内部基准精度： 10ppm/⁰C max
• 工作温度范围： -40°C 到 +125°C

 

 我们的资深工程师还设计了EMC，ESD加强的DAC8760参考设计方案，请参考如下网址：

http://www./tool/DAC8760EMC-EVM?keyMatch=DAC8760&tisearch=Search-EN