如何設(shè)計簡單的電壓控制雙向電流源

當您所做的只是繪制原理圖時，電壓源和電流源同樣容易實現(xiàn)。然而，當我們進入電路設(shè)計的現(xiàn)實世界后，我們逐漸意識到產(chǎn)生或多或少恒定的電流，不知為何，要比產(chǎn)生或多或少恒定的電壓困難得多。但是，這并沒有改變電流源有時非常有用的事實，而且聰明的工程師創(chuàng)造了各種實用的電流源電路是一件好事。

本文是 AAC 模擬電路文集的一部分，介紹了一種高性能電流源，它只需要幾個現(xiàn)成的組件。
當您所做的只是繪制原理圖時，電壓源和電流源同樣容易實現(xiàn)。然而，當我們進入電路設(shè)計的現(xiàn)實世界后，我們逐漸意識到產(chǎn)生或多或少恒定的電流，不知為何，要比產(chǎn)生或多或少恒定的電壓困難得多。但是，這并沒有改變電流源有時非常有用的事實，而且聰明的工程師創(chuàng)造了各種實用的電流源電路是一件好事。
如果您更喜歡使用運算放大器，Howland 電流泵可產(chǎn)生電壓控制電流，并且只需要一個運算放大器和四個電阻器。

Howland 電流泵。

如果您不喜歡使用分立晶體管并且（出于某種原因）手頭沒有任何運算放大器，您可能需要考慮將其中一個線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為電流源。
吉姆·威廉姆斯當前資源
這絕不是該電路的名稱，我當然不想暗示它是 Jim Williams 設(shè)計的電流源——我不會驚訝于他提出了六個創(chuàng)新的，高性能電流源拓撲結(jié)構(gòu)。盡管如此，他是應(yīng)用筆記的作者，我不知道該電路還能叫什么。
如下圖所示，該電流源需要兩個放大器 IC 和一些無源元件。

圖表取自LT1102 的數(shù)據(jù)表。

LT1006 是典型的精密運算放大器，LT1102 是高精度儀表放大器。應(yīng)用筆記是 1991 年出版的，所以這些都是一些舊的 IC。我在仿真中使用了 LT1006 和 LT1102（將在下一篇文章中討論）只是為了確保仿真中的所有內(nèi)容都與原始設(shè)計一致——實際上，Digi-Key 仍將這兩個部分歸類為“有源器件” ” 盡管如此，我鼓勵您嘗試使用一些更新的（并且可能性能更高）替代這些遺留 IC。
以下列表重點介紹了 Jim Williams 電流源拓撲的一些特性。
它是電壓控制和雙向的——負載電流的大小和方向由輸入電壓的大小和極性決定。
它以地面為參考；負載電阻的一側(cè)直接接地。
如上圖中包含的等式所示，電流幅度還受 R 影響，即儀表放大器輸入端子之間的電阻值。
如果為 R 使用超高精度電阻，使得該元件引入的誤差可以忽略不計，則電路的初始精度和溫度穩(wěn)定性對應(yīng)于儀表放大器的增益精度和溫度系數(shù)。
該電路穩(wěn)定性好，能適應(yīng)輸入電壓的快速變化。
了解電路
該電流源運行的關(guān)鍵是儀表放大器的使用。通過檢測與負載串聯(lián)的固定電阻兩端的電壓，我們可以生成不受負載電阻值影響的輸出電流。
下面是我嘗試逐步解釋該電路如何工作的嘗試。

運算放大器 (A1) 在負反饋配置下運行。反饋路徑中儀表放大器 (A2) 的存在不會改變反饋環(huán)路已閉合的事實。
負反饋的存在使我們可以使用虛空假設(shè)。因此，A2 的輸出必須等于輸入電壓。
虛擬短路情況并非憑空出現(xiàn)；相反，虛擬短路是由運算放大器輸出端子的動作強加的。由于 A2 的增益為 100，A1 的輸出將采取任何必要措施以確保 R 兩端的電壓等于輸入電壓除以 100。
由于 R 是一個固定電阻，并且由于 R 兩端的電壓總是與輸入電壓成正比，我們從歐姆定律知道流過 R 的電流總是與輸入電壓成正比。
由于負載與電阻器 R 串聯(lián)，輸出電流始終與輸入電壓成正比，與負載電阻無關(guān)（當然在限制范圍內(nèi)，例如，您無法通過 1 MΩ 驅(qū)動 10 mA負載，除非你能找到接受電源電壓高達 10,000 V 左右的放大器）。
電容器和另一個電阻器決定了電路的頻率響應(yīng)，我假設(shè)選擇的值是為了產(chǎn)生理想的相位裕度。