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如何利用复合放大器拓扑实现高、快速建立的电流源

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
【如何利用复合放大器拓扑实现高、快速建立的电流源】 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 。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 。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 。

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