基于Howland電流源的精密壓控電流源

陳笑風，杜 磊，趙柏樹

（湖北大學 物理學與電子技術學院，湖北 武漢430062）

電流源常常用于測試其他設備，用以驅動電流傳感器或其他器材，提供二晶體管或三極管的偏置,或者設定測試條件[1]。直流電流源還可以精確測量低電阻阻值。電流源在各個領域的廣泛使用激發起人們對恒流源的研究更加深入化和多樣化。恒流源在加速器中的使用是加速器結構改善的一個標志[2]。因此如何提高電流源的精度和拓展其應用電路，一直是專業人士熱衷的研究課題。本文設計了一種基于Howland電流源電路和V/I轉換電路（即其延拓電路）的組合式精密壓控電流源。先通過仿真手段研究Howland電流源電路及其變形電路的互補組合式的電流特性，再使用通用集成運算放大器和電阻構建壓控電流源的實驗測試電路，并給出精度、輸出阻抗以及頻率響應特性等實驗測試結果。

1 Howland電流源的電壓/電流轉換特性

設集成運放為理想運放，并根據集成運放虛短和虛斷的理論，在圖1中若

圖1所示電路不僅引入了負反饋，同時也引入了正反饋。若負載減小，因電路內阻的存在，一方面Io將增大，另一方面Up將下降，進而使Uo下降，Io將隨之減小。從而使得Io僅受UI控制，與負載無關，達到穩流目的。

在Multisim10.0的環境下對Howland電流源電路進行仿真，測試實際搭建的電路（測試過程中集成運放均用的是UA741CN）,得到輸入電壓和輸出電流的對應關系，如表1所示。

2 Howland電流源延拓電路即(V/I轉換電路)

Howland電流源電路雖然結構簡單，但是輸入和輸出反相，不能滿足設計需要。為解決這個問題，將其延拓即得圖2所示的V/I轉換電路。

設集成運放為理想運放，在圖 2中，A1、A2均引入了負反饋，前者構成同相求和運算電路，后者構成電壓跟隨器。根據虛短、虛斷原理，若取R1=R2=R3=R4=R，則出電流與Howland電流源僅相差一個負號。

仿真及實測得到的輸入電壓和輸出電流的對應關系，如表2所示。

表1和表2均表明仿真效果很好，但實際電路的效果并不理想，輸出電流的精度較差。這是因為仿真過程中數據是理論值，運放參數被理想化，而實際的運放都不理想，Avd、Rid、KCMR并非無窮大，Rod也不為零， 故 Io和Ui的關系不能嚴格滿足理論公式。所以僅有單純的Howland電流源電路或V/I轉換電路并不能構成精密壓控電流源。

3 高精度壓控電流源

3.1 理論分析及仿真

由本文 1、2節看出：Howland電流源和 V/I轉換電路仿真時的絕對誤差在μA級，但實際電路的絕對誤差則接近mA級，基本不能滿足應用需求。故兩個電路在實際的高精度壓控電流源中都不實用。

為了提高輸出精度，本文引入誤差補償的思想。通過對比、分析上文得到的數據，將Howland電流源作為誤差補充電路引入到V/I轉換電路中，得到圖3所示高精度壓控電流源電路。該電路極大地改善了電路的精度，使實際輸出電流的絕對誤差達到μA級。其中VREF為基準電壓，作為Howland電流源的壓控端，輸出一個小電流用以補償核心電路的誤差。在實際電路中R0、R、R7均要求為精密電阻。其余阻值要匹配，否則會帶來很大的誤差[3]。

在Multisim10.0的環境下對高精度電流源電路仿真，對Ui進行參數掃描分析得到表3所示結果。

表3中數據表明圖3電路極大的提高了輸出精度，表明該電路理論上可行。

對圖3電路進行交流分析可知，該高精度電流源具有較好的頻率響應，圖4給出了其頻率響應曲線，包括有幅度頻率響應和相位頻率響應。由圖可見，電路的上限截止頻率達到600 kHz，優于運算放大器的單位增益帶寬積。當采用CB工藝實現單片集成時,電路的性能會更好[4]。

表1 Howland電流源電路仿真及實測數據

表2 V/I轉換電路仿真及實測數據

表3 高精度壓控電流源仿真數據

表4 高精度壓控電流源實測數據

3.2 高精度壓控電流源實際測試

測試圖3電路時使輸入電壓Ui在0～15 V之間變化，調節VREF的輸入電壓（為負），使輸出電流精確跟隨Ui變化，達到精確壓控目的。記錄下對應的VREF值，得到數據如表4所示。通過數據處理后發現，當Ui在0～9.5 V變化時，在保證電壓精密控制Io的前提下，VREF和 Ui的關系為線性關系：VREF=-0.103 4Ui-0.006 8 V,其中 Ui≤9.50 V，線性擬合度 R2=0.999 4。

VREF和Ui之間存在極好的線性關系，故在Ui和 VREF之間引入反相比例運算電路，如圖5所示。不僅很好地解決了Ui與誤差補償電路的基準電壓VREF之間的關系，而且簡化了控制方式，在輸入控制電壓的同時引入補償電壓，使電路僅需要一個控制信號即Ui，真正做到了壓控電流源的設計目的。其中Rf為電位器，用以調節Ui和VREF之間的比例關系。

測試圖5電路時先將Ui設置在中間值，如4 V，調節Rf使輸出電流值與 Ui精確對應，接著調節Ui在0～15 V之間變化，記錄VREF和Io的值，如表5所示。在較小量程內（如 0.1 mA～7 mA）絕對誤差可以限定在 10 μA以內；當 Ui在 0～11 V變化時，絕對誤差可以保證在 50 μA以內,電路具有很好的輸出精度。

表6所示為對電路進行帶載能力和頻率響應測試，證明該電流源具有一定的帶載能力。

表5 實際高精度壓控電流源Ui-Io關系表

表6 實際高精度電流源帶載能力表

從圖6可知電路頻率特性較好,上限截至頻率為53 kHz。基本可以用在低頻測試環境中。當頻率要求比較高時，集成運放可以改為寬帶集成運放。

本文巧妙運用Howland電流源電路及其延拓電路，構建壓控電流源，使電流源性能顯著提高。由于圖5電路繼承了運算放大器的優良性能，使該電流源具有精度高，輸出阻抗高，頻率響應好等特點。在兼有Howland電流源主要特征的同時，對其進行了改進和補充，使其性能更優。該電路可以應用在儀表放大器電流傳輸器、浮置阻抗變換器、高性能模擬放大器等電路的設計中，由于電路結構簡單，易于集成化，集成后的性能將更加優越，應用前景廣闊。

[1]PEASE R A.Pease,A Comprehensive Study of the Howland current pump[EB].National Semiconductor Application Note,2008.

[2]秦玲,賴青貴,張良.基于運算放大器的壓控恒流源[J].強激光與粒子束,2010,22(3):553-556.

[3]楊永輝,顏曉嬿,郭恒.高精度工頻恒流源設計[J].電測與儀表,2009,46(10):72-75.

[4]YING J H,FANG C,ZHANG J Y.Design of temperature independent current reference based on superposition technology[J].Microelectronics ＆ Computer，2008，25(3):114-118.