一种高精度电流传送器的设计

杜磊,赵柏树

( 湖北大学物理学与电子技术学院,湖北 武汉 430062)

电流传送器广泛应用于电流放大器、电压放大器、跨导放大器、电流源等模拟集成电路的设计中,与其他电子元件组合,还可以十分简便地构成各种电流模式连续时间信号处理电路,如有源滤波器[1-3]、振荡器[4]等的设计.电流传送器已被证明是一种十分有用的电路积木块.近年来,围绕如何提高电流传送器的精度、速度、负载能力等课题,不少学者开展了广泛的研究与探索[5].本文中通过对常见的电流/电压转换电路即V/I转换电路进行变形和改造,设计一种基于集成运放的高精度电流传送器,并通过仿真和实验手段研究该新型电流传送器的相关特性.

1 基于V/I转换电路的电流传送器模型设计

可见,两个集成运放有机组合构造出一个精度比较高的电压/电流转换电路.由于电路系统中普遍存在对偶现象,如电压与电流对偶,电容与电感对偶，两个集成运放有机组合构建了电压/电流转换电路,因此,有可能存在由两个集成运放有机组合构建的电流/电流转换电路.基于这一思想,经过探索,设计了一种基于运算放大器的简单电流传送器,如图2所示.

图1 V/I转换电路

图2 简单的电流传送器

设集成运放为理想运放,在图2中,根据“虚断”和“虚断”原理易得:

(1)

若取R2=R0、R4≪R0R3,则有IO=-Ii.

当R2和R0的值不等时,即可构成电流放大电路.图2所示的电流传送器存在一定的误差,精度不高.(1)式表明,电路的误差来自两个方面,一是来自uP1项,且其误差与uP1成正比关系;另一方面则来自电阻的匹配误差以及实际运放的失调电压、失调电流、输入电流等,即系统误差主要由uP1和器件的非理想特性引起.

2 电流传送器的改进

为了提高电流传送器的精度,改善其性能,我们对图2所示电路存在的缺陷进行了研究,通过对电路结构的改造以及对电路元器件的挑选,有效解决了图2电路的不足,取得了较满意的结果。

针对(1)式中uP1项引起的误差,本文中在系统中引入误差补偿电路,提高电路的运算精度.具体措施是,从图2中的P1处取采样电压作为误差补偿电路的输入,再反馈到输出节点.由此,引入Howland电流源电路[6].当Howland电流源输入量与uP1成比例时,即可输出一个补偿电流用以补偿图2电路中由uP1引起的误差,构成图3所示高精度电流传送器.

图3 高精度电流传送器

(2)

(3)

(4)

其中Rf为精密电位器,用以微调uP1与ui的比例关系.由于R3处等效值会比R3的阻值略小,所以Rf接入电路的值会比上述理论值稍大一些.微调Rf还可以补偿电阻匹配误差引起的运算误差.

针对集成运放的非理想特性引起的系统误差,可以通过选用高性能的集成运放等措施改善系统性能.

3 系统性能分析与验证

为了验证系统的可行性, 利用Multisim[7]对图3电路进行了建模仿真,并搭建实际电路进行实验.

3.1直流特性将Ii作为扫描对象,运用Multisim进行参数扫描分析,具体设置为:RL=1 kΩ,Ii的扫描范围从-10 mA至10 mA,得到直流传输特性,见表1.搭建实际电路,当负载在0～500 Ω之间变化时,测试得到高精度电流传送器实测数据,见表2.

由表1和表2可以看出,电流传送器的性能很好,精度较高,仿真值的绝对误差在5 μA以内,实际测试的绝对误差基本在10 μA以内,部分数据的误差较大,主要是由测试工具的精度造成的.对比两表发现实际电路的测试性能优于仿真结果,这是由于微调Rf的值可部分补偿集成运放的非理想特性引起的误差,抵消因电阻精度和匹配误差引起的误差,使系统误差进一步减小.

表1 高精度电流传送器仿真数据表

表2 高精度电流传送器实测数据表

3.2交流特性在Multisim里,对原理图进行交流小信号分析,具体参数设置为:输入电流源的AC(Analysis Magnitude)设为10 mA,AP(Analysis Phase)设为0°.通过仿真得到电路的幅频特性和相频特性,如图4所示.由图4可见,电路的上限频率大于100 kHz,相移为180°,体现出比较理想的频响特性.

图4 新型电流传送器的频率特性

3.3带载能力对实际搭建电路进行带载能力测试,输入电流设置为5 mA时,改变RL的值,得到IO-RL关系表,如表3所示.由表3数据可见,当负载小于1.31 kΩ时,电流传送器的相对误差小于1%,说明图3所示电路具有很好的带载能力.

表3 高精度电流传送器实测带载能力数据表

4 结论

本文中对一种集成运放构成的电流传送器进行改进,得到一种高精度的电流传送器,跟随精度显著提高,能实现电流的精确传送.该电路继承了运算放大器的优良性能,使该电流传送器具有精度高,输出阻抗高,频率响应好等特点.当配合电压跟随器使用时,则可以根据信号源阻抗、负载阻抗和信号传送时的周围环境等因素,选择一种由它们组成的最有利的配置对信号进行放大或传送，同时在有源滤波器和振荡器等电路的设计中均可运用.

[1] 陈瑛,江金光.基于CCCII±和OTA的频率可调谐多功能电流模式滤波器[J].湖北大学学报:自然科学版,2009,31(3):264-268.

[2] 吴先明,何怡刚,方葛丰.用第三代电流传送器设计n阶有源滤波器[J].电子元件与材料,2011,30(7):47-51.

[3] 宋树祥,王小华.电调谐CCCⅡ-C电流模式二阶带通滤波器[J].电路与系统学报,2011,16(5):52-54.

[4] 龚雪梅,彭良玉.应用CCCII模拟电感实现的混沌振荡器[J].计算机工程与应用,2010,46(24):57-59.

[5] 苏长远, 陈向东, 陈小培.基于MOCCII的低压低功耗自偏置CCIII的设计[J].半导体技术, 2010, 35(9) :913-917.

[6] 陈笑风,杜磊,赵柏树.基于Howland电流源的精密压控电流源[J].电子技术应用,2012,38(9):71-74.

[7] 张志友.Multisim在电工电子课程教学中的典型应用[J].实验技术与管理,2012,29(4):108-110.