如何设计简单的电压控制双向电流源

本文是 AAC 模拟电路文集的一部分，介绍了一种高性能电流源，它只需要几个现成的组件。

当您所做的只是绘制原理图时，电压源和电流源同样容易实现。然而，当我们进入电路设计的现实世界后，我们逐渐意识到产生或多或少恒定的电流，不知为何，要比产生或多或少恒定的电压困难得多。但是，这并没有改变电流源有时非常有用的事实，而且聪明的工程师创造了各种实用的电流源电路是一件好事。

如果您更喜欢使用运算放大器，Howland 电流泵可产生电压控制电流，并且只需要一个运算放大器和四个电阻器。

Howland 电流泵。

如果您不喜欢使用分立晶体管并且（出于某种原因）手头没有任何运算放大器，您可能需要考虑将其中一个线性稳压器转换为电流源。

吉姆·威廉姆斯当前资源

这绝不是该电路的名称，我当然不想暗示它是 Jim Williams 设计的电流源——我不会惊讶于他提出了六个创新的，高性能电流源拓扑结构。尽管如此，他是应用笔记的作者，我不知道该电路还能叫什么。

如下图所示，该电流源需要两个放大器 IC 和一些无源元件。

图表取自LT1102 的数据表。

LT1006 是典型的精密运算放大器，LT1102 是高精度仪表放大器。应用笔记是 1991 年出版的，所以这些都是一些旧的 IC。我在仿真中使用了 LT1006 和 LT1102（将在下一篇文章中讨论）只是为了确保仿真中的所有内容都与原始设计一致——实际上，Digi-Key 仍将这两个部分归类为“有源器件” ” 尽管如此，我鼓励您尝试使用一些更新的（并且可能性能更高）替代这些遗留 IC。

以下列表重点介绍了 Jim Williams 电流源拓扑的一些特性。

• 它是电压控制和双向的——负载电流的大小和方向由输入电压的大小和极性决定。
• 它以地面为参考；负载电阻的一侧直接接地。
• 如上图中包含的等式所示，电流幅度还受 R 影响，即仪表放大器输入端子之间的电阻值。
• 如果为 R 使用超高精度电阻，使得该元件引入的误差可以忽略不计，则电路的初始精度和温度稳定性对应于仪表放大器的增益精度和温度系数。
• 该电路稳定性好，能适应输入电压的快速变化。

了解电路

该电流源运行的关键是仪表放大器的使用。通过检测与负载串联的固定电阻两端的电压，我们可以生成不受负载电阻值影响的输出电流。

下面是我尝试逐步解释该电路如何工作的尝试。

1. 运算放大器 (A1) 在负反馈配置下运行。反馈路径中仪表放大器 (A2) 的存在不会改变反馈环路已闭合的事实。
2. 负反馈的存在使我们可以使用虚空假设。因此，A2 的输出必须等于输入电压。
3. 虚拟短路情况并非凭空出现；相反，虚拟短路是由运算放大器输出端子的动作强加的。由于 A2 的增益为 100，A1 的输出将采取任何必要措施以确保 R 两端的电压等于输入电压除以 100。
4. 由于 R 是一个固定电阻，并且由于 R 两端的电压总是与输入电压成正比，我们从欧姆定律知道流过 R 的电流总是与输入电压成正比。
5. 由于负载与电阻器 R 串联，输出电流始终与输入电压成正比，与负载电阻无关（当然在限制范围内，例如，您无法通过 1 MΩ 驱动 10 mA负载，除非你能找到接受电源电压高达 10,000 V 左右的放大器）。
6. 电容器和另一个电阻器决定了电路的频率响应，我假设选择的值是为了产生理想的相位裕度。