双运放组成的恒流源-TI方案

### 双运放组成的恒流源-TI方案 #### 概述 在现代电子系统设计中，恒流源作为一种能够提供稳定电流输出的关键组件，在多种应用场合中扮演着至关重要的角色。本文介绍了一种利用双运放实现的高电压双向恒流源的设计方案，该方案由德州仪器（TI）的应用工程师John Caldwell提出，并首次发布于EN-Genius.net网站。通过结合具有宽输入共模范围的集成差分放大器与自举电源技术，这一设计不仅能够克服传统电路中的局限性，还能够在较宽的负载阻抗范围内实现线性工作。 #### 基本原理与结构 ##### 传统的Howland电流泵 传统的Howland电流泵电路是一种利用运算放大器和几个电阻来实现电压到电流转换的经典方法。如图1所示，当芯片内部的四个电阻值相等时，输出电流与输入电压之间的关系可以表示为： \[ I_{out} = \frac{V_{in}}{R} \] 这里的 \( R \) 表示内部电阻值。由于集成差分放大器内的电阻匹配度非常高，这种拓扑结构能够实现极高的输出阻抗。 ##### 局限性 然而，这种电路存在一定的局限性。大多数集成差分放大器被设计用于在36V的电源电压下工作，因此，尽管这些电路理论上可以提供所需的输出电流，但它们的实际性能受限于所能产生的输出电压范围。这意味着当负载阻抗增加时，输出电流可能会降低，无法达到预期的效果。 #### 高电压双向恒流源设计 为了解决上述问题，Caldwell提出了一个改进的Howland电流泵拓扑结构，通过结合具有极宽输入共模范围的集成差分放大器和自举电源技术，使得电路能够承受更高的电源电压。这样，即使在较高的负载阻抗下，电路也能保持稳定的输出电流。 ##### 自举电源技术 自举电源技术是通过在电源电压与负载之间引入一个额外的反馈回路，从而提高电源的有效电压范围。这使得电路能够有效地驱动高阻抗负载，同时保持线性操作特性。 ##### 实际应用示例 为了验证这一设计的有效性，Caldwell构建了一个能够线性地向10kΩ负载提供和吸收10mA电流的双向恒流源。该演示电路采用了低成本且易于获取的组件，展示了Howland电流泵固有的优异线性和瞬态响应特性，而无需使用专门的高压集成电路。 #### 结果与性能评估 实验结果表明，通过采用上述设计方案，电路不仅能够实现稳定的电流输出，而且在较高负载阻抗的情况下也表现出良好的线性度和快速的响应时间。此外，由于没有使用专用的高压集成电路，这种设计还具有成本效益的优势。 #### 结论 通过将集成差分放大器与自举电源技术相结合，John Caldwell提出的高电压双向恒流源设计方案成功地克服了传统电路的局限性，实现了在较宽负载阻抗范围内稳定的电流输出。这种设计不仅适用于各种工业应用，而且由于其简单高效的特点，对于教学和研究领域同样具有重要意义。