在電路理論中，電壓源和電流源同樣理想，同樣易于實(shí)現(xiàn)。您只需畫一個(gè)圓圈，然后為電壓添加正負(fù)號(hào)或?yàn)?a href="http://m.1cnz.cn/tags/電流/" target="_blank">電流添加箭頭。現(xiàn)在您有一個(gè)電路元件，它可以在所有條件下產(chǎn)生指定電壓或在所有條件下驅(qū)動(dòng)指定電流。

在現(xiàn)實(shí)生活中，電源并不理想，此外，逼近理論電壓源比逼近理論電流源要容易得多。電壓源與電池、齊納二極管或與緩沖器組合的電阻分壓器一樣簡(jiǎn)單。

另一方面，電流源通常需要一些巧妙的電路設(shè)計(jì)和對(duì)操作細(xì)節(jié)的更多關(guān)注。

電流源架構(gòu)

有多種方法可以設(shè)計(jì)電流源。在我們研究雙運(yùn)算放大器拓?fù)渲埃屛覀兒?jiǎn)要回顧一下其他一些選項(xiàng)。您可以通過(guò)單擊相應(yīng)的鏈接了解有關(guān)所有這些主題的更多信息。

一種有趣的方法是使用電壓調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器：

LT3085 的應(yīng)用圖。圖片由Linear Devices (Analog Devices)提供

另一種選擇是基于放大器的電路，我在上一篇關(guān)于如何設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電壓控制雙向電流源的文章中對(duì)此進(jìn)行了討論。基于放大器的電路隱約讓人聯(lián)想到雙運(yùn)算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其中一個(gè)放大器是儀表放大器而不是運(yùn)算放大器。

電壓可編程電流源圖。圖片由Linear Devices (Analog Devices)提供

最后，我們有Howland 電流泵，它在 Sergio Franco 博士撰寫的 AAC 文章中進(jìn)行了徹底分析。

雙運(yùn)放拓?fù)?/h3>

我在 Analog Devices 的一份舊應(yīng)用筆記中找到了這個(gè)被描述為“精密電流泵”的電路。它產(chǎn)生與輸入電壓成正比的雙向輸出電流。

這是原始電路圖：

精密電流泵示意圖。圖片由 Analog Devices提供

這個(gè)電路有一些我喜歡的地方。首先，只需要兩種類型的元件：運(yùn)算放大器和電阻器。

其次，運(yùn)算放大器具有相同的部件號(hào)。的確，該電路使用兩個(gè)運(yùn)算放大器，而 Howland 泵僅使用一個(gè)，但兩個(gè)運(yùn)算放大器可以是完全相同的部件這一事實(shí)是有利的，因?yàn)槟梢允褂秒p運(yùn)算放大器 IC 封裝，從而最大限度地減少任何第二個(gè)運(yùn)算放大器需要額外的成本或電路板空間。

第三，五個(gè)電阻中的四個(gè)（R2、R3、R4、R5）可以具有相同的值，然后電壓電流增益由一個(gè)電阻（R1）控制。R2–R5 的值并不重要，因此您可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已有的組件或現(xiàn)有 BOM 調(diào)整電路。但請(qǐng)記住，更高精度的電阻器會(huì)產(chǎn)生更高精度的電流源。

第四，輸入電壓是差分的。這使您可以靈活地提供控制電壓，并允許您利用電路的雙向輸出電流能力，而無(wú)需生成延伸到地以下的控制電壓。

雙運(yùn)算放大器電流源的基本操作

我們將使用 LTspice 實(shí)現(xiàn)來(lái)幫助我們分析雙運(yùn)放電流源。

在這里，我使用的是 LTspice“理想的單極運(yùn)算放大器”。我最初用 OP-77 嘗試過(guò)，但模擬運(yùn)行不正常。OP-77 宏模型可能存在問(wèn)題，因?yàn)槲矣辛硪粋€(gè)版本的電路使用 LT1001A 運(yùn)算放大器并且它模擬正確。

恒流源電路通常依賴于某種類型的反饋，無(wú)論負(fù)載電阻如何，該反饋都會(huì)使電壓源產(chǎn)生指定的電流。（您可以在我為顏色傳感器項(xiàng)目設(shè)計(jì)的壓控 LED 驅(qū)動(dòng)器中看到一個(gè)簡(jiǎn)單的示例。）

在雙運(yùn)放電流泵中，U1放大差分控制電壓，U2配置為電壓跟隨器，感應(yīng)負(fù)載兩端的電壓并將其反饋到輸入級(jí)。

上面顯示的電壓源配置產(chǎn)生一個(gè)從 +250 mV 到 –250 mV 的差分輸入電壓。根據(jù)應(yīng)用筆記中提供的方程式，輸出電流應(yīng)在 2.5 mA 至 –2.5 mA 之間變化，因?yàn)?A V = 1 且 R1 = 100 Ω，這正是我們觀察到的：

使用此電路需要注意的一件事是 U1 輸出電壓。所有負(fù)載電流都來(lái)自 U1。如果忽略流經(jīng)反饋電阻R4 并流入U(xiǎn)2 正輸入端的極小電流，則U1 輸出端的電壓將等于I OUT 乘以負(fù)載電阻與R1 的電阻之和。

該電壓很容易超過(guò)運(yùn)算放大器輸出級(jí)實(shí)際產(chǎn)生的電壓，特別是如果您使用的是 ±3 V 或 ±5 V 電源軌，而不是我認(rèn)為的 ±12 V 或 ±15 V 模擬電源電壓過(guò)去常見(jiàn)。

由于這個(gè)限制，我認(rèn)為雙運(yùn)算放大器電流泵是具有低負(fù)載電阻和/或小輸出電流的應(yīng)用的不錯(cuò)選擇。

結(jié)論

我們快速瀏覽了具有合理 BOM 要求并包含差分控制電壓輸入級(jí)的雙向電流源電路。在下一篇文章中，我們將使用 LTspice 更詳細(xì)地分析電路的性能。