一種高精度電流傳送器的設計

杜磊,趙柏樹

( 湖北大學物理學與電子技術學院,湖北 武漢 430062)

電流傳送器廣泛應用于電流放大器、電壓放大器、跨導放大器、電流源等模擬集成電路的設計中,與其他電子元件組合,還可以十分簡便地構成各種電流模式連續時間信號處理電路,如有源濾波器[1-3]、振蕩器[4]等的設計.電流傳送器已被證明是一種十分有用的電路積木塊.近年來,圍繞如何提高電流傳送器的精度、速度、負載能力等課題,不少學者開展了廣泛的研究與探索[5].本文中通過對常見的電流/電壓轉換電路即V/I轉換電路進行變形和改造,設計一種基于集成運放的高精度電流傳送器,并通過仿真和實驗手段研究該新型電流傳送器的相關特性.

1 基于V/I轉換電路的電流傳送器模型設計

可見,兩個集成運放有機組合構造出一個精度比較高的電壓/電流轉換電路.由于電路系統中普遍存在對偶現象,如電壓與電流對偶,電容與電感對偶，兩個集成運放有機組合構建了電壓/電流轉換電路,因此,有可能存在由兩個集成運放有機組合構建的電流/電流轉換電路.基于這一思想,經過探索,設計了一種基于運算放大器的簡單電流傳送器,如圖2所示.

圖1 V/I轉換電路

圖2 簡單的電流傳送器

設集成運放為理想運放,在圖2中,根據“虛斷”和“虛斷”原理易得:

(1)

若取R2=R0、R4?R0R3,則有IO=-Ii.

當R2和R0的值不等時,即可構成電流放大電路.圖2所示的電流傳送器存在一定的誤差,精度不高.(1)式表明,電路的誤差來自兩個方面,一是來自uP1項,且其誤差與uP1成正比關系;另一方面則來自電阻的匹配誤差以及實際運放的失調電壓、失調電流、輸入電流等,即系統誤差主要由uP1和器件的非理想特性引起.

2 電流傳送器的改進

為了提高電流傳送器的精度,改善其性能,我們對圖2所示電路存在的缺陷進行了研究,通過對電路結構的改造以及對電路元器件的挑選,有效解決了圖2電路的不足,取得了較滿意的結果。

針對(1)式中uP1項引起的誤差,本文中在系統中引入誤差補償電路,提高電路的運算精度.具體措施是,從圖2中的P1處取采樣電壓作為誤差補償電路的輸入,再反饋到輸出節點.由此,引入Howland電流源電路[6].當Howland電流源輸入量與uP1成比例時,即可輸出一個補償電流用以補償圖2電路中由uP1引起的誤差,構成圖3所示高精度電流傳送器.

圖3 高精度電流傳送器

(2)

(3)

(4)

其中Rf為精密電位器,用以微調uP1與ui的比例關系.由于R3處等效值會比R3的阻值略小,所以Rf接入電路的值會比上述理論值稍大一些.微調Rf還可以補償電阻匹配誤差引起的運算誤差.

針對集成運放的非理想特性引起的系統誤差,可以通過選用高性能的集成運放等措施改善系統性能.

3 系統性能分析與驗證

為了驗證系統的可行性, 利用Multisim[7]對圖3電路進行了建模仿真,并搭建實際電路進行實驗.

3.1直流特性將Ii作為掃描對象,運用Multisim進行參數掃描分析,具體設置為:RL=1 kΩ,Ii的掃描范圍從-10 mA至10 mA,得到直流傳輸特性,見表1.搭建實際電路,當負載在0～500 Ω之間變化時,測試得到高精度電流傳送器實測數據,見表2.

由表1和表2可以看出,電流傳送器的性能很好,精度較高,仿真值的絕對誤差在5 μA以內,實際測試的絕對誤差基本在10 μA以內,部分數據的誤差較大,主要是由測試工具的精度造成的.對比兩表發現實際電路的測試性能優于仿真結果,這是由于微調Rf的值可部分補償集成運放的非理想特性引起的誤差,抵消因電阻精度和匹配誤差引起的誤差,使系統誤差進一步減小.

表1 高精度電流傳送器仿真數據表

表2 高精度電流傳送器實測數據表

3.2交流特性在Multisim里,對原理圖進行交流小信號分析,具體參數設置為:輸入電流源的AC(Analysis Magnitude)設為10 mA,AP(Analysis Phase)設為0°.通過仿真得到電路的幅頻特性和相頻特性,如圖4所示.由圖4可見,電路的上限頻率大于100 kHz,相移為180°,體現出比較理想的頻響特性.

圖4 新型電流傳送器的頻率特性

3.3帶載能力對實際搭建電路進行帶載能力測試,輸入電流設置為5 mA時,改變RL的值,得到IO-RL關系表,如表3所示.由表3數據可見,當負載小于1.31 kΩ時,電流傳送器的相對誤差小于1%,說明圖3所示電路具有很好的帶載能力.

表3 高精度電流傳送器實測帶載能力數據表

4 結論

本文中對一種集成運放構成的電流傳送器進行改進,得到一種高精度的電流傳送器,跟隨精度顯著提高,能實現電流的精確傳送.該電路繼承了運算放大器的優良性能,使該電流傳送器具有精度高,輸出阻抗高,頻率響應好等特點.當配合電壓跟隨器使用時,則可以根據信號源阻抗、負載阻抗和信號傳送時的周圍環境等因素,選擇一種由它們組成的最有利的配置對信號進行放大或傳送，同時在有源濾波器和振蕩器等電路的設計中均可運用.

[1] 陳瑛,江金光.基于CCCII±和OTA的頻率可調諧多功能電流模式濾波器[J].湖北大學學報:自然科學版,2009,31(3):264-268.

[2] 吳先明,何怡剛,方葛豐.用第三代電流傳送器設計n階有源濾波器[J].電子元件與材料,2011,30(7):47-51.

[3] 宋樹祥,王小華.電調諧CCCⅡ-C電流模式二階帶通濾波器[J].電路與系統學報,2011,16(5):52-54.

[4] 龔雪梅,彭良玉.應用CCCII模擬電感實現的混沌振蕩器[J].計算機工程與應用,2010,46(24):57-59.

[5] 蘇長遠, 陳向東, 陳小培.基于MOCCII的低壓低功耗自偏置CCIII的設計[J].半導體技術, 2010, 35(9) :913-917.

[6] 陳笑風,杜磊,趙柏樹.基于Howland電流源的精密壓控電流源[J].電子技術應用,2012,38(9):71-74.

[7] 張志友.Multisim在電工電子課程教學中的典型應用[J].實驗技術與管理,2012,29(4):108-110.