ADI:差动放大器构成精密电流源的核心

许多应用利用精密电流源提供恒定电流，包括工业过程控制、仪器仪表、医疗设备和消费电子产品。例如，过程控制系统利用电流源提供电阻温度检测器(RTD) 所需的激励电流；数字万用表利用电流源测量未知电阻、电容和二极管；长距离信息传输广泛使用电流源来驱动4 mA至20 mA电流环路。

精密电流源传统上采用运算放大器、电阻和其它分立器件构建，但存在尺寸、精度和温度漂移等方面的不足。现在，高精度、低功耗、低成本集成 差动放大器¹, 例如（ AD8276²) 的出现，使得尺寸更小、性能更高的电流源变成现实，如图1所示。反馈缓冲器使用低失调、低偏置电流放大器，例如AD8538, AD8603, AD8605, AD8628, AD8655, AD8661, AD8663, OP177, 或 OP1177, 具体取决于所需电流范围。

输出电流可以通过下式计算：

如果 R_g1 = R_g2 = R_f1 = R_f2, 上式可简化为：

最大输出电流受以下因素限制：运算放大器输入范围、差动放大器输出范围以及差动放大器SENSE引脚电压范围。必须满足下列三个条件：

在运算放大器输入范围内

在SENSE引脚电压范围2× (–Vs) – 0.2 V至2× (+Vs) – 3 V内。

在A D8276输出电压范围–Vs+ 0.2 V至+Vs– 0.2 V内。

SENSE引脚可以耐受几乎为电源两倍的电压，因此第二个限制条件相当宽松。2.5V至36V的宽电源电压范围使得A D8276成为许多应用的理想之选。A级和B级的最大增益误差分别为0.05%和0.02%，因此电流源精度最高可达0.02%。

配置变化

对于可以接受稍大误差的低成本应用，可以移除反馈缓冲器以简化电路，如图2所示。

如果

则输出电流为：

对于 

如果所需输出电流小于A D8276的输出能力15 m A，则可去掉升压晶体管，如图3所示。如果低电流和降低精度均能接受，则可采用更为简单的低成本配置，如图4所示。

图5所示的拓扑结构可以用于高电流、高精度应用，运算放大器输入范围无限制。

输出电流可以通过下式计算

如果完全匹配, R_g1 = R_g2 = R_f1 = R_f2 = 40 kΩ 且 R₁ = R₂, 则输出电流为：

外部电阻R₁和R₂应具有超高精度和匹配度，否则输出电流将随负载而变化，由此产生的误差无法通过软件来校正。

外围器件

输入电压V_REF可以是DAC输出、基准电压源或传感器输出。如果需要可编程电流源，推荐使用精密14位或16位DAC，如AD5640, AD5660, AD5643R, 和 AD5663R 等。至于基准电压源，要求更高性能时推荐使用精密基准源 ADR42x和 ADR44x 要求低功耗时推荐使用 ADR36x 要求低成本时推荐使用;AD158x和ADR504x 要求小尺寸时推荐使用集成运算放大器与基准电压源ADR82x。

基准电压源可以连接到AD8276的反相或同相输入端。如果使用同相输入，共模电压为 

输出电流为

如果使用反相输入，共模电压为

输出电流为

使用反相输入时，需要一个缓冲放大器；因此，建议使用同相输入，以简化电路。

晶体管选择

选择升压晶体管时，务必使VC高于电源电压，并使IC高于所需输出电流。推荐使用2N3904、2N4401和2N3391等低成本晶体管。电流较低时，无需使用晶体管。

实验基准结果和分析

使用图1电路测得的输入电压与输出电流的关系如图6所示。A D8276和AD8603采用+5 V电源供电。R1的容差为0.1%。晶体管为2N3904。基准电压以0.01V步进从0.05 V扫描至1.20 V。输入范围受电源和AD8603输入范围的限制。

最大误差为0.87%，平均误差为0.10 %。电流检测误差受外部电阻的限制。较高精度的电阻可以产生较高精度的电流源。

结束语

差动放大器A D8276具有低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差、低增益漂移特性以及集成电阻，可以用来实现精确、稳定的电流源。宽电源电压 范围（2.5 V至36 V）使其能支持各种各样的负载。节省空间的8引脚MSOP封装和低功耗特性，则使它非常适合电池供电的便携式系统。采用差动放大器实现精密电流源可以缩小PCB面积，简化布局，降低系统成本，提高可靠性。

附 录：差动放大器

表 1

Part 2