運算放大器通常用于在工業流程控制、科學儀器和醫療設備等各種應用中產生高性能電流源?！赌M對話》1967年第1卷第1期上發表的" 單放大器電流源"介紹了幾種電流源電路，它們可以提供通過浮動負載或接地負載的恒流。在壓力變送器和氣體探測器等工業應用中，這些電路廣泛應用于提供4-mA至20-mA或0-mA至20-mA的電流。
圖1所示的改進型Howland電流源非常受歡迎，因為它可以驅動接地負載。允許相對較高電流的晶體管可以用MOSFET取代，以便達到更高的電流。對于低成本、低電流應用，可以去除晶體管，如《模擬對話》2009年第43卷第3期" 精密電流源的心臟：差動放大器"所述。
這種電流源的精度取決于放大器和電阻。本文介紹如何選擇外部電阻以最大程度減少誤差。
圖1. 改進型Howland電流源驅動接地負載。
通過對改進型Howland電流源進行分析，可以得出傳遞函數：
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(1)
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提示1：設置R2 + R5 = R4
在公式1中，負載電阻影響輸出電流，但如果我們設置R1 = R3和R2 + R5 = R4, 則方程簡化為：
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(2)
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此處的輸出電流只是R3、R4和R5的函數。如果有理想放大器，電阻容差將決定輸出電流的精度。
提示2：設置RL = n × R5
為減少器件庫中的總電阻數，請設置R1 = R2 = R3 = R4?，F在，公式1簡化為：
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(3)
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如果R5 = RL，則公式進一步簡化為：
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(4)
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此處的輸出電流僅取決于電阻R5。
某些情況下，輸入信號可能需要衰減。例如，在處理10 V輸入信號且R5 = 100 Ω的情況下，輸出電流為100 mA。要獲得20 mA的輸出電流，請設置R1 = R3 = 5R2 = 5R4?，F在，公式1簡化為：
如果RL = 5R5 = 500 Ω，則：
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(5)
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提示3：R1/R2/R3/R4的值較大，可以改進電流精度
大多數情況下，R1 = R2 = R3 = R4，但RL ≠ R5，因此輸出電流如公式3所示。例如，在R5 = 100 Ω且RL = 500 Ω的情況下，圖2顯示電阻R1與電流精度之間的關系。要達到0.5%的電流精度，R1必須至少為40 kΩ。
圖2. R1與輸出電流精度之間的關系。
提示4：電阻容差影響電流精度
實際電阻從來都不是理想的，每個電阻都具有指定的容差。圖3顯示了示例電路，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 100 kΩ，R5 = 100 Ω，而且RL = 500 Ω。在輸入電壓設置為0.1 V的情況下，輸出電流應該為1 mA。表1顯示由于不同電阻容差而導致的輸出電流誤差。為達到0.5%的電流精度，請為R1/R2/R3/R4選擇0.01%的容差，為R5選擇0.1%的容差，為RL選擇5%的容差。0.01%容差的電阻成本昂貴，因此更好的選擇是使用集成差動放大器（例如 AD8276，它具有更好的電阻匹配，而且更加經濟高效。
圖3.IOUT= 1 mA的示例電路。
表1. 最差情況輸出電流誤差(%)與電阻容差(%)
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電阻容差/電阻變化 |
5 |
1 |
0.5 |
0.1 |
0.05 |
0.01 |
0 |
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R1/R2/R3/R4 |
110.11 |
10.98 |
5.07 |
1.18 |
0.69 |
0.30 |
0.20 |
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R5 |
5.05 |
1.19 |
0.70 |
0.30 |
0.25 |
0.21 |
0.20 |
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RL |
0.21 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
結論
在設計改進型Howland電流源時，需要選擇外部電阻，使得輸出電流不受負載電阻的影響。電阻容差會影響精度，必須在精度和成本之間權衡考慮。放大器的失調電壓和失調電流也會影響精度。請查閱數據手冊，確定放大器是否滿足電路要求。可以使用 Multisim 進行仿真，了確這些規格對精度產生的影響。集成差動放大器具有較低的失調電壓、失調電壓漂移、增益誤差和增益漂移，可以經濟高效地 實現精確穩定的電流源。