運算放大器通常用于在工業流程控制、科學儀器和醫療設備等各種應用中產生高性能電流源。《模擬對話》1967 年第 1 卷第1 期上發表的“單放大器電流源”介紹了幾種電流源電路，它們可以提供通過浮動負載或接地負載的恒流。在壓力變送器和氣體探測器等工業應用中，這些電路廣泛應用于提供 4-mA 至20-mA 或 0-mA 至 20-mA 的電流。

圖 1 所示的改進型 Howland 電流源非常受歡迎，因為它可以驅動接地負載。允許相對較高電流的晶體管可以用 MOSFET 取代，以便達到更高的電流。對于低成本、低電流應用，可以去除晶體管，如《模擬對話》2009 年第 43 卷第 3 期“精密電流源的心臟：差動放大器”所述。這種電流源的精度取決于放大器和電阻。本文介紹如何選擇外部電阻以最大程度減少誤差。

圖 1. 改進型 Howland 電流源驅動接地負載。

通過對改進型 Howland 電流源進行分析，可以得出傳遞函數：

提示 1：設置 R2 + R5 = R4

在公式 1 中，負載電阻影響輸出電流，但如果我們設置 R1 = R3和 R2 + R5 = R4，則方程簡化為：

此處的輸出電流只是 R3、R4和 R5的函數。如果有理想放大器，電阻容差將決定輸出電流的精度。

提示 2：設置 RL = n × R5

為減少器件庫中的總電阻數，請設置 R1 = R2 = R3 = R4。現在，公式 1 簡化為：

如果 R5 = RL，則公式進一步簡化為：

此處的輸出電流僅取決于電阻 R5。某些情況下，輸入信號可能需要衰減。例如，在處理 10 V 輸入信號且 R5 = 100 Ω 的情況下，輸出電流為 100 mA。要獲得20 mA 的輸出電流，請設置 R1 = R3 = 5R2 = 5R4。現在，公式 1簡化為：

如果 RL = 5R5 = 500 Ω，則：

提示 3：R1/R2/R3/R4的值較大，可以改進電流精度

大多數情況下，R1 = R2 = R3 = R4，但 RL ≠ R5，因此輸出電流如公式 3 所示。例如，在 R5 = 100 Ω 且 RL = 500 Ω 的情況下，圖 2 顯示電阻 R1與電流精度之間的關系。要達到 0.5%的電流精度，R1必須至少為 40 kΩ。

圖 2. R1與輸出電流精度之間的關系。

提示 4：電阻容差影響電流精度

實際電阻從來都不是理想的，每個電阻都具有指定的容差。圖 3顯示了示例電路，其中 R1 = R2 = R3 = R4 = 100 kΩ，R5 = 100 Ω，而且 RL = 500 Ω。在輸入電壓設置為 0.1 V 的情況下，輸出電流應該為 1 mA。表 1 顯示由于不同電阻容差而導致的輸出電流誤差。為達到 0.5%的電流精度，請為 R1/R2/R3/R4選擇 0.01%的容差，為 R5選擇 0.1%的容差，為 RL選擇 5%的容差。0.01%容差的電阻成本昂貴，因此更好的選擇是使用集成差動放大器（例如AD8276），它具有更好的電阻匹配，而且更加經濟高效。

圖 3. IOUT = 1 mA 的示例電路。

表 1. 最差情況輸出電流誤差(%)與電阻容差(%)

結論

在設計改進型 Howland 電流源時，需要選擇外部電阻，使得輸出電流不受負載電阻的影響。電阻容差會影響精度，必須在精度和成本之間權衡考慮。放大器的失調電壓和失調電流也會影響精度。請查閱數據手冊，確定放大器是否滿足電路要求。可以使用 Multisim 進行仿真，了確這些規格對精度產生的影響。集成差動放大器具有較低的失調電壓、失調電壓漂移、增益誤差和增益漂移，可以經濟高效地實現精確穩定的電流源。