基于Howland电流源的精密压控电流源

陈笑风，杜 磊，赵柏树

（湖北大学 物理学与电子技术学院，湖北 武汉430062）

电流源常常用于测试其他设备，用以驱动电流传感器或其他器材，提供二晶体管或三极管的偏置,或者设定测试条件[1]。直流电流源还可以精确测量低电阻阻值。电流源在各个领域的广泛使用激发起人们对恒流源的研究更加深入化和多样化。恒流源在加速器中的使用是加速器结构改善的一个标志[2]。因此如何提高电流源的精度和拓展其应用电路，一直是专业人士热衷的研究课题。本文设计了一种基于Howland电流源电路和V/I转换电路（即其延拓电路）的组合式精密压控电流源。先通过仿真手段研究Howland电流源电路及其变形电路的互补组合式的电流特性，再使用通用集成运算放大器和电阻构建压控电流源的实验测试电路，并给出精度、输出阻抗以及频率响应特性等实验测试结果。

1 Howland电流源的电压/电流转换特性

设集成运放为理想运放，并根据集成运放虚短和虚断的理论，在图1中若

图1所示电路不仅引入了负反馈，同时也引入了正反馈。若负载减小，因电路内阻的存在，一方面Io将增大，另一方面Up将下降，进而使Uo下降，Io将随之减小。从而使得Io仅受UI控制，与负载无关，达到稳流目的。

在Multisim10.0的环境下对Howland电流源电路进行仿真，测试实际搭建的电路（测试过程中集成运放均用的是UA741CN）,得到输入电压和输出电流的对应关系，如表1所示。

2 Howland电流源延拓电路即(V/I转换电路)

Howland电流源电路虽然结构简单，但是输入和输出反相，不能满足设计需要。为解决这个问题，将其延拓即得图2所示的V/I转换电路。

设集成运放为理想运放，在图 2中，A1、A2均引入了负反馈，前者构成同相求和运算电路，后者构成电压跟随器。根据虚短、虚断原理，若取R1=R2=R3=R4=R，则出电流与Howland电流源仅相差一个负号。

仿真及实测得到的输入电压和输出电流的对应关系，如表2所示。

表1和表2均表明仿真效果很好，但实际电路的效果并不理想，输出电流的精度较差。这是因为仿真过程中数据是理论值，运放参数被理想化，而实际的运放都不理想，Avd、Rid、KCMR并非无穷大，Rod也不为零， 故 Io和Ui的关系不能严格满足理论公式。所以仅有单纯的Howland电流源电路或V/I转换电路并不能构成精密压控电流源。

3 高精度压控电流源

3.1 理论分析及仿真

由本文 1、2节看出：Howland电流源和 V/I转换电路仿真时的绝对误差在μA级，但实际电路的绝对误差则接近mA级，基本不能满足应用需求。故两个电路在实际的高精度压控电流源中都不实用。

为了提高输出精度，本文引入误差补偿的思想。通过对比、分析上文得到的数据，将Howland电流源作为误差补充电路引入到V/I转换电路中，得到图3所示高精度压控电流源电路。该电路极大地改善了电路的精度，使实际输出电流的绝对误差达到μA级。其中VREF为基准电压，作为Howland电流源的压控端，输出一个小电流用以补偿核心电路的误差。在实际电路中R0、R、R7均要求为精密电阻。其余阻值要匹配，否则会带来很大的误差[3]。

在Multisim10.0的环境下对高精度电流源电路仿真，对Ui进行参数扫描分析得到表3所示结果。

表3中数据表明图3电路极大的提高了输出精度，表明该电路理论上可行。

对图3电路进行交流分析可知，该高精度电流源具有较好的频率响应，图4给出了其频率响应曲线，包括有幅度频率响应和相位频率响应。由图可见，电路的上限截止频率达到600 kHz，优于运算放大器的单位增益带宽积。当采用CB工艺实现单片集成时,电路的性能会更好[4]。

表1 Howland电流源电路仿真及实测数据

表2 V/I转换电路仿真及实测数据

表3 高精度压控电流源仿真数据

表4 高精度压控电流源实测数据

3.2 高精度压控电流源实际测试

测试图3电路时使输入电压Ui在0～15 V之间变化，调节VREF的输入电压（为负），使输出电流精确跟随Ui变化，达到精确压控目的。记录下对应的VREF值，得到数据如表4所示。通过数据处理后发现，当Ui在0～9.5 V变化时，在保证电压精密控制Io的前提下，VREF和 Ui的关系为线性关系：VREF=-0.103 4Ui-0.006 8 V,其中 Ui≤9.50 V，线性拟合度 R2=0.999 4。

VREF和Ui之间存在极好的线性关系，故在Ui和 VREF之间引入反相比例运算电路，如图5所示。不仅很好地解决了Ui与误差补偿电路的基准电压VREF之间的关系，而且简化了控制方式，在输入控制电压的同时引入补偿电压，使电路仅需要一个控制信号即Ui，真正做到了压控电流源的设计目的。其中Rf为电位器，用以调节Ui和VREF之间的比例关系。

测试图5电路时先将Ui设置在中间值，如4 V，调节Rf使输出电流值与 Ui精确对应，接着调节Ui在0～15 V之间变化，记录VREF和Io的值，如表5所示。在较小量程内（如 0.1 mA～7 mA）绝对误差可以限定在 10 μA以内；当 Ui在 0～11 V变化时，绝对误差可以保证在 50 μA以内,电路具有很好的输出精度。

表6所示为对电路进行带载能力和频率响应测试，证明该电流源具有一定的带载能力。

表5 实际高精度压控电流源Ui-Io关系表

表6 实际高精度电流源带载能力表

从图6可知电路频率特性较好,上限截至频率为53 kHz。基本可以用在低频测试环境中。当频率要求比较高时，集成运放可以改为宽带集成运放。

本文巧妙运用Howland电流源电路及其延拓电路，构建压控电流源，使电流源性能显著提高。由于图5电路继承了运算放大器的优良性能，使该电流源具有精度高，输出阻抗高，频率响应好等特点。在兼有Howland电流源主要特征的同时，对其进行了改进和补充，使其性能更优。该电路可以应用在仪表放大器电流传输器、浮置阻抗变换器、高性能模拟放大器等电路的设计中，由于电路结构简单，易于集成化，集成后的性能将更加优越，应用前景广阔。

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

[2]秦玲,赖青贵,张良.基于运算放大器的压控恒流源[J].强激光与粒子束,2010,22(3):553-556.

[3]杨永辉,颜晓嬿,郭恒.高精度工频恒流源设计[J].电测与仪表,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.