使用运放向负载电阻输出电流实现微安级恒流源的电路设计

使用运放向负载电阻输出电流实现微安级恒流源的电路设计

1 微安级数控恒流源的一般设计方法

下面举例说明元器件参数的选择，如需要设计0～10 μA的数控电流源，所选DA转换器的参考电压为2．5V，即DA转换器的最大输出电压Vmax为2．5V，在此电路中，应该对应最大的输出电流Imax为10 μA，根据运放“虚短虚断”的原则，R3的值应由式（1）确定。

因此R3应取250k Ω。

2 差分电路在微安级恒流源电路中的应用

为了使电路的应用更为广泛，可以采用图3所示的电路结构。

此电路通过差分放大器的拓扑形式解决了恒流源负载不共地的问题，负载是接在输出与地线之间。在此电路中，由于采用了差分结构，因此需慎重选择电阻，其中Rl和R2，R3和R4，R5和R6分别相等，如果这三对电阻选得不对称，将会严重影响输出电流的精度。通过运放“虚短虚断”的原则，可以计算出在此电路中DA转换器输出lV的电压对应恒流源电路的输出电流为10 μA。

差分放大型电路虽然解决了恒流源负载不共地的问题，但电路结构较复杂，而且由于使用了三对大阻值精密电阻，器件难以购买，使得电路的成本大大提高，通用性降低。但是，可以基于上述电路思想，运用新型运算放大器设计出简单廉价的高精密微安级数控恒流源。图4所示电路是采用仪表放大器INAll8结合运放设计出的高精密微安级数控恒流源。

INAll8是美国B-B公司生产的精密仪表放大器，具有精度高和共模抑制比高的优点，适合对微小信号进行不失真的放大。INAll8由三个运算放大器组成差分放大结构，其内部结构图如图5所示。

其中运放A1、A2的作用是为了提高放大器的输入阻抗和提供放大（其放大倍数由Rg决定），Al、A2分别对Vin-和Vin+进行电压跟随，A3和4个60k Ω的电阻组成差分放大器。

在图4所示电路中，根据运放“虚短虚断”的原则，负载电阻R2上流过的电流值由式（2）计算得出。

电路中Rg的稳定性和温度漂移对增益有影响，应采用高精度、低噪声的金属膜电阻，OPA尽量采用高阻抗运算放大器，以减小偏置电流所带来的误差。如选用普通的运放OPAl77，Ib的误差达到±15nA；选用高速精密运放OPA602，Ih的误差降为±1pA；选用静电计级运放OPAl28，Ih的误差仅为±75fA。

4 小结

INA118通过内部集成的六个精密电阻与运放组成差分放大结构，解决了元器件选择困难，电路成本高的问题。整个电路结构也解决了恒流源负载不共地的问题，在微弱信号采集和处理等实际工程应用中具有较高的实用价值。