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如何最大程度减少误差呢？选择外部电阻是关键

由 cathy 提交于

改进型Howland电流源非常受欢迎，因为它可以驱动接地负载。允许相对较高电流的晶体管可以用MOSFET取代，以便达到更高的电流。这种电流源的精度取决于放大器和电阻，电阻容差又会影响电路的精度……

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113031-1.j…; alt=“”></center>

那么，如何选择外部电阻以最大程度减少误差？请继续往下看

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113032-2.p…; alt=“图1：改进型Howland电流源驱动接地负载"></center><center><i>图1：改进型Howland电流源驱动接地负载</i></center>

通过对改进型Howland电流源进行分析，可以得出传递函数：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113033-3.p…; alt=“”></center>

<strong>提示1：设置R<sub>2</sub>+R=R<sub>4</sub></strong>

在公式1中，负载电阻影响输出电流，但如果我们设置R<sub>1</sub>=R<sub>3</sub>和R<sub>2</sub>+R<sub>5</sub>=R<sub>4</sub>，则方程简化为：

此处的输出电流只是R<sub>3</sub>，R<sub>4</sub>和R<sub>5</sub>的函数。如果有理想放大器，电阻容差将决定输出电流的精度。

<strong>提示2：设置R<sub>L</sub>=n × R<sub>5</sub></strong>

为减少器件库中的总电阻数，请设置R<sub>1</sub>=R<sub>2</sub>=R<sub>3</sub>=R<sub>4</sub>。现在，公式1简化为：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113034-4.p…; alt=“”></center>

如果R<sub>5</sub>=R<sub>L</sub>，则公式进一步简化为：

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此处的输出电流仅取决于电阻R<sub>5</sub>。

某些情况下，输入信号可能需要衰减。例如，在处理10V输入信号且R<sub>5</sub>=100Ω的情况下，输出电流为100mA。要获得20mA的输出电流，请设置R<sub>1</sub>=R<sub>3</sub>=5R<sub>2</sub>=5R<sub>4</sub>。现在，公式1简化为：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113036-6.p…; alt=“”></center>

如果R<sub>L</sub>=5R<sub>5</sub>=500Ω，则：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113037-7.p…; alt=“”></center>

<strong>提示3：R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>/R<sub>3</sub>/R<sub>4</sub>的值较大</strong>

当R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>/R<sub>3</sub>/R<sub>4</sub>的值较大时，可改进电流精度。大多数情况下，R<sub>1</sub>=R<sub>2</sub>=R<sub>3</sub>=R<sub>4</sub>，但R<sub>L</sub>≠R<sub>5</sub>，因此输出电流如公式3所示。例如，在R<sub>5</sub>=100Ω且R<sub>L</sub>=500Ω的情况下，图2显示电阻R<sub>1</sub>与电流精度之间的关系。要达到0.5%的电流精度，R<sub>1</sub>必须至少为40kΩ。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113038-8.j…; alt=“图2：R1与输出电流精度之间的关系"></center><center><i>图2：R<sub>1</sub>与输出电流精度之间的关系</i></center>

<strong>提示4：电阻容差影响电流精度</strong>

实际电阻从来都不是理想的，每个电阻都具有指定的容差。图3显示了示例电路，其中R<sub>1</sub>= R<sub>2</sub>=R<sub>3</sub>=R<sub>4</sub>=100kΩ，R<sub>5</sub>2=100Ω，而且R<sub>L</sub>=500Ω。在输入电压设置为0.1V的情况下，输出电流应该为1mA。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113039-9.j…; alt=“图3：IOUT=1mA的示例电路"></center><center><i>图3：I<sub>OUT</sub>=1mA的示例电路</i></center>

表1显示由于不同电阻容差而导致的输出电流误差。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058933-113040-10…; alt=“表1：*最差情况输出电流误差（%）与电阻容差（%）"></center><center><i>表1：*最差情况输出电流误差（%）与电阻容差（%）</i></center>

为达到0.5%的电流精度，请为R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>/R<sub>3</sub>/R<sub>4</sub>选择0.01%的容差，为R<sub>5</sub>选择0.1%的容差，为R<sub>L</sub>选择5%的容差。0.01%容差的电阻成本昂贵，因此更好的选择是使用集成差动放大器（例如 AD8276，它具有更好的电阻匹配，而且更加经济高效）。

在设计改进型Howland电流源时，需要选择外部电阻，使得输出电流不受负载电阻的影响。但是呢，电阻容差又会影响精度，所以必须在精度和成本之间权衡考虑。
此外，放大器的失调电压和失调电流也会影响精度，务必查阅数据手册，确定放大器是否满足电路要求。

本文转载自：亚德诺半导体
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