В статье описан простой, но эффективный способ уменьшения ошибок источника тока, вызванных непостоянным значением сопротивления нагрузки.
Операционные усилители часто используются для создания высококачественных источников тока в различных областях, таких как управление производственными процессоми, научные измерительные приборы и медицинское оборудование. В статье «Источники тока на одном усилителе» (Single Amplifier Current Sources), опубликованной в журнале Analog Dialogue, том 1, номер 1, 1967 (Analog Dialogue, Volume 1, Number 1, 1967), представлены несколько схем источников тока, которые обеспечивают постоянным током различные «плавающие» нагрузки или нагрузки на землю. В промышленных приложениях, таких как датчики давления и газоанализаторы, данные схемы широко используются для поддержания токов от 4 мА до 20 мА или от 0 мА до 20 мА.
Показанный здесь улучшенный источник тока Хауленда (Howland current source) очень популярен из-за того, что он способен питать нагрузки, подключенные непосредственно к земле. Транзистор, который обеспечивает относительно высокие токи, может быть заменен полевым МОП-транзистором (MOSFET) для обеспечения еще больших значений токов. Для приложений, где важна низкая стоимость и малые токи, транзистор может быть исключен, как показано в статье «Прецизионный источник тока, основанный на разностном усилителе» (Difference Amplifier Forms Heart of Precision Current Source), опубликованной в журнале Analog Dialogue, том 43, номер 3, 2009 (Analog Dialogue, Volume 43, Number 3, 2009).
Точность этого источника тока определяется усилителем и резисторами. Данная статья описывает выбор внешних резисторов для минимизации ошибок.
Анализ улучшенного источника тока Хоуленда дает следующую передаточную функцию:
Io = VIN × (R2+R3 + R2R4 + R5R3)/[R3(R2 + R5)RL – R1R4RL + R2R3R5] (1)
Совет 1: Установите R2 + R5 = R4
В выражении 1 сопротивление нагрузки влияет на выходной ток, но если установить следующие значения сопротивлений R1 = R3 и R2 + R5 = R4, то формула упрощается:
Io = VIN× R4/ R5R3 (2)
Здесь выходной ток зависит только от R3, R4, и R5. При использовании идеального усилителя, точность выходного тока определяется только допусками резисторов.
Совет 2: Установите RL = n × R5
Для уменьшения числа различных номиналов резисторов, положим R1 = R2 = R3 = R4. Теперь выражение 1 упрощается:
Io = VIN × (R5 + 2 R2)/ R5(RL +2 R2) (3)
При R5 = RL выражение принимает вид:
Io = VIN × (1/ R5) (4)
Здесь выходной ток зависит только от значения сопротивления R5.
В некоторых случаях входной сигнал необходимо ослабить. Например, при входном сигнале в 10 В и R5 = 100 Ом выходной ток будет равен 100 мА. Для получения 20 мА на выходе, необходимо установить R1 = R3 = 5R2 = 5R4. Тогда выражение 1 становится:
Io = VIN × (5R5 + 6R2)/5R5(RL + 6R2)
При RL = 5R5 = 500 Ом:
Io = VIN × (1/ R5) (5)
Заключение
При разработке улучшенного источника тока Хоуленда необходимо выбирать внешние резисторы так, чтобы выходной ток не зависел бы от сопротивления нагрузки. Допуск резисторов влияет на точность выходного тока, но необходимо найти компромисс между точностью и стоимостью. Напряжение смещения и ток смещения усилителя также оказывают влияние на точность. Необходимо обратиться к техническому описанию усилителя, чтобы проверить подходит ли он под требования разрабатываемой схемы. Интегрированные усилители разности, обладающие низкими напряжением смещения, дрейфом напряжения смещения, ошибкой усиления и дрейфом усиления, позволяют создать точные и стабильные источники тока.
Дэвид Гуо (David Guo), Analog Devices [david.guo@analog.com]
Список литературы
Bill Miller, Single Amplifier Current Sources, Analog Dialogue, Volume 1, Number 1, 1967
James M. Loe, Grounded-load current source uses one operational amplifier, Analog Dialogue, Volume 1, Number 3, 1967
Reza Moghimi, Ways to Optimize the Performance of a Difference Amplifier, AN-589
Zhao, Neil, Reem Malik, and Wenshuai Liao, Difference Amplifier Forms Heart of Precision Current Source, Analog Dialogue, Volume 43, Number 3, 2009
David Guo, Low-Power, Unity-Gain Difference Amplifier Implements Low-cost Current Source, Analog Dialogue, Volume 45, Number 2, 2011
