两个运算放大器电流源的基本操作

作者：峨嵋大侠

在电路理论中，电压源和电流源同样理想且同样易于实现。您只需画一个圆圈，然后为电压添加加号和减号或为电流添加箭头。现在您有一个电路元件，它可以在所有条件下产生指定电压或在所有条件下驱动指定电流。

在现实生活中，源并不理想，而且，逼近理论电压源比逼近理论电流源要容易得多。电压源就像电池、齐纳二极管或与缓冲器结合的电阻分压器一样简单。

另一方面，电流源通常需要一些巧妙的电路设计和对操作细节的更多关注。

电流源架构

有多种设计电流源的方法。在我们研究双运算放大器拓扑之前，让我们简要回顾一些其他选项。您可以通过单击相应的链接了解有关所有这些主题的更多信息。

一种有趣的方法是使用电压调节器作为电流调节器：

LT3085 的应用图。图片由Linear Devices(模拟设备)提供

另一种选择是基于放大器的电路，我在上一篇关于如何设计简单、电压控制的双向电流源的文章中讨论了该电路。基于放大器的电路有点让人想起双运放拓扑，但其中一个放大器是仪表放大器而不是运算放大器。

电压可编程电流源图。图片由Linear Devices(模拟设备)提供

最后，我们有Howland 电流泵，在 Sergio Franco 博士撰写的 AAC 文章中对其进行了彻底分析。

两运放拓扑

我在 ADI 公司的旧应用笔记中发现了这个被描述为“精密电流泵”的电路。它产生与输入电压成正比的双向输出电流。

原电路图如下：

精密电流泵示意图。图片由ADI 公司提供

这个电路有一些我喜欢的地方。首先，只需要两种类型的组件：运算放大器和电阻器。

其次，运算放大器具有相同的部件号。该电路确实使用了两个运算放大器，而 Howland 泵只使用了一个，但两个运算放大器可以是完全相同的部件这一事实是有利的，因为您可以使用双运算放大器 IC 封装，从而最大限度地减少任何第二个运算放大器需要额外的成本或电路板空间。

第三，五个电阻中的四个(R2、R3、R4、R5)可以具有相同的值，然后电压-电流增益由一个电阻(R1)控制。R2–R5 的值并不重要，因此您可以使电路适应实验室中已有的组件或现有的 BOM。但请记住，更高精度的电阻会产生更高精度的电流源。

第四，输入电压是差分的。这为您提供控制电压的方式提供了一定的灵活性，并且允许您利用电路的双向输出电流能力，而无需生成延伸至地以下的控制电压。

两个运算放大器电流源的基本操作

我们将使用 LTspice 实现来帮助我们分析两个运算放大器的电流源。

这里我使用的是 LTspice“理想的单极运算放大器”。我最初用 OP-77 进行了尝试，但模拟运行不正常。OP-77 宏模型可能存在问题，因为我有另一个版本的电路，它使用 LT1001A 运算放大器并且可以正确模拟。

恒流源电路通常依赖于某种类型的反馈，无论负载电阻如何，都会导致电压源产生指定的电流。(您可以在我为颜色传感器项目设计的压控 LED 驱动器中看到一个简单的例子。)

在双运放电流泵中，U1 放大差分控制电压，U2 配置为电压跟随器，检测负载两端的电压并将其反馈到输入级。

上面显示的电压源配置产生一个从 +250 mV 到 –250 mV 变化的差分输入电压。根据应用笔记中提供的公式，输出电流应在 2.5 mA 至 –2.5 mA 之间变化，因为 A V = 1 且 R1 = 100 Ω，这正是我们观察到的：

对于该电路，您需要注意的一件事是 U1 输出电压。所有负载电流都来自 U1。如果我们忽略流经反馈电阻 R4 并进入 U2 正输入端的非常小的电流，则 U1 输出端的电压将等于 I OUT乘以负载电阻和 R1 的电阻之和。



这个电压很容易超过运算放大器的输出级实际可以产生的电压，特别是如果您使用的是 ±3 V 或 ±5 V 电源轨而不是 ±12 V 或 ±15 V 模拟电源电压，我相信，过去常见。

由于这个限制，我认为双运放电流泵是低负载电阻和/或小输出电流应用的理想选择。

结论

我们快速浏览了具有合理 BOM 要求并包含差分控制电压输入级的双向电流源电路。在下一篇文章中，我们将使用 LTspice 更详细地分析电路的性能。