Howland电流泵是一种由麻省理工学院的Brad Howland发明的运算放大器(OPA)电流源,它在电路设计中具有重要的应用。这个电路利用运放的特性,能够提供一个独立于负载电阻的恒定电流输出。对于不熟悉电子工程的人来说,理解这种电流源可能有些困难,但通过逐步解析其基本原理,我们可以更好地了解它的工作机制。
我们从简单的电流镜电路开始。电流镜是一种常见的电路结构,它可以复制电流,其中一个支路的电流与另一个支路的电流保持一致。在运放电流镜中,运放的反相输入(-)和同相输入(+)之间的电压相等,即v-= v+。在这种情况下,运放的输出电流iL并不依赖于负载电阻RL或输入电压vL,而是由Rf+上的电压决定。Rf+的电压必须与Rf-的电压相同,且不受地电位影响。
接下来,我们将电流镜转变为Howland电流泵,通过将Rf+连接到不同的电压点,如vR。在vR=0V时,电路成为一个单运放差分放大器。当vR=VOS(恒定偏置电压)时,输出电压vO会增加,但为了保持v-=v+,v+/vO必须小于1,以防止运放输出达到饱和。为了实现这一目标,Rf+被分解为Rf-Rs和Rs两个串联电阻,这样可以引入正反馈,调整输出电压以保持输入平衡。
在这个电路中,Rs上的电流iL与Rf-Rs上的电流iB分离,由一个电压增益为a的缓冲器实现。运放的输入电压vL可通过以下公式计算:vL = (iI * Rs) / (1 + a),其中iI是输入电流,a是缓冲器的增益。最终的输出电流iL与vL无关,仅与输入电压vI有关,这是因为正反馈环路会抵消vL的变化。
当负载电阻RL增大导致vL增加时,正反馈环路会放大vL的增量,通过运放的同相比例增益Av+进行补偿,使vO相应增加,从而保持iL不变。这种自举提升的行为确保了vS(Rs两端的电压)保持稳定,进而维持iS(流经Rs的电流)的恒定,即使vL变化,iL也不会受到影响。
在最简单的形式中,Howland电流源可以没有×1缓冲器,但Rf+仍需分为Rf-Rs和Rs,以满足电流源条件。此时,iL和iB共同流经Rs,但仍然可以通过电路分析技术将其分开。反馈路径的总串联电阻Rf保持不变,而Rf/Ri的比例在正反馈和负反馈路径中必须相等,以确保电压自举效应使得iL独立于vL。
Howland电流泵是一个巧妙的电路设计,它利用运放的特性创建了一个能够提供恒定电流的源,该电流独立于负载电压的变化。通过理解其内部的工作原理,包括反馈机制、电阻分压和电压自举,我们可以更好地应用这个电路于各种电源设计和技术应用中。
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