電流源常常用于測試其他設(shè)備，用以驅(qū)動電流傳感器或其他器材，提供二晶體管或三極管的偏置,或者設(shè)定測試條件[1]。直流電流源還可以精確測量低電阻阻值。電流源在各個領(lǐng)域的廣泛使用激發(fā)起人們對恒流源的研究更加深入化和多樣化。恒流源在加速器中的使用是加速器結(jié)構(gòu)改善的一個標(biāo)志[2]。因此如何提高電流源的精度和拓展其應(yīng)用電路，一直是專業(yè)人士熱衷的研究課題。本文設(shè)計了一種基于Howland電流源電路和V/I轉(zhuǎn)換電路（即其延拓電路）的組合式精密壓控電流源。先通過仿真手段研究Howland電流源電路及其變形電路的互補(bǔ)組合式的電流特性，再使用通用集成運(yùn)算放大器和電阻構(gòu)建壓控電流源的實驗測試電路，并給出精度、輸出阻抗以及頻率響應(yīng)特性等實驗測試結(jié)果。

    在Multisim10.0的環(huán)境下對Howland電流源電路進(jìn)行仿真，測試實際搭建的電路（測試過程中集成運(yùn)放均用的是UA741CN）,得到輸入電壓和輸出電流的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。
2 Howland電流源延拓電路即(V/I轉(zhuǎn)換電路)
     Howland電流源電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是輸入和輸出反相，不能滿足設(shè)計需要。為解決這個問題，將其延拓即得圖2所示的V/I轉(zhuǎn)換電路。

    表1和表2均表明仿真效果很好，但實際電路的效果并不理想，輸出電流的精度較差。這是因為仿真過程中數(shù)據(jù)是理論值，運(yùn)放參數(shù)被理想化，而實際的運(yùn)放都不理想，Avd、Rid、KCMR并非無窮大，Rod也不為零，故Io和Ui的關(guān)系不能嚴(yán)格滿足理論公式。所以僅有單純的Howland電流源電路或V/I轉(zhuǎn)換電路并不能構(gòu)成精密壓控電流源。
3 高精度壓控電流源
3.1理論分析及仿真
    由本文1、2節(jié)看出：Howland電流源和V/I轉(zhuǎn)換電路仿真時的絕對誤差在μA級，但實際電路的絕對誤差則接近mA級，基本不能滿足應(yīng)用需求。故兩個電路在實際的高精度壓控電流源中都不實用。
    為了提高輸出精度，本文引入誤差補(bǔ)償?shù)乃枷搿Ｍㄟ^對比、分析上文得到的數(shù)據(jù)，將Howland電流源作為誤差補(bǔ)充電路引入到V/I轉(zhuǎn)換電路中，得到圖3所示高精度壓控電流源電路。該電路極大地改善了電路的精度，使實際輸出電流的絕對誤差達(dá)到μA級。其中VREF為基準(zhǔn)電壓，作為Howland電流源的壓控端，輸出一個小電流用以補(bǔ)償核心電路的誤差。在實際電路中R0、R、R7均要求為精密電阻。其余阻值要匹配，否則會帶來很大的誤差[3]。
    在Multisim10.0的環(huán)境下對高精度電流源電路仿真，對Ui進(jìn)行參數(shù)掃描分析得到表3所示結(jié)果。
    表3中數(shù)據(jù)表明圖3電路極大的提高了輸出精度，表明該電路理論上可行。

    對圖3電路進(jìn)行交流分析可知，該高精度電流源具有較好的頻率響應(yīng)，圖4給出了其頻率響應(yīng)曲線，包括有幅度頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)。由圖可見，電路的上限截止頻率達(dá)到600 kHz，優(yōu)于運(yùn)算放大器的單位增益帶寬積。當(dāng)采用CB工藝實現(xiàn)單片集成時,電路的性能會更好[4]。
3.2 高精度壓控電流源實際測試
    測試圖3電路時使輸入電壓Ui在0~15 V之間變化，調(diào)節(jié)VREF的輸入電壓（為負(fù)），使輸出電流精確跟隨Ui變化，達(dá)到精確壓控目的。記錄下對應(yīng)的VREF值，得到數(shù)據(jù)如表4所示。通過數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ui在0~9.5 V變化時，在保證電壓精密控制Io的前提下，VREF和Ui的關(guān)系為線性關(guān)系：VREF=-0.103 4Ui-0.006 8 V,其中Ui≤9.50 V，線性擬合度R2=0.999 4。
    VREF和Ui之間存在極好的線性關(guān)系，故在Ui和VREF之間引入反相比例運(yùn)算電路，如圖5所示。不僅很好地解決了Ui與誤差補(bǔ)償電路的基準(zhǔn)電壓VREF之間的關(guān)系，而且簡化了控制方式，在輸入控制電壓的同時引入補(bǔ)償電壓，使電路僅需要一個控制信號即Ui，真正做到了壓控電流源的設(shè)計目的。其中Rf為電位器，用以調(diào)節(jié)Ui和VREF之間的比例關(guān)系。
    測試圖5電路時先將Ui設(shè)置在中間值，如4 V，調(diào)節(jié)Rf使輸出電流值與Ui精確對應(yīng)，接著調(diào)節(jié)Ui在0~15 V之間變化，記錄VREF和Io的值，如表5所示。在較小量程內(nèi)（如0.1 mA~7 mA）絕對誤差可以限定在10 ?滋A以內(nèi)；當(dāng)Ui在0~11 V變化時，絕對誤差可以保證在50 μA以內(nèi),電路具有很好的輸出精度。

    表6所示為對電路進(jìn)行帶載能力和頻率響應(yīng)測試，證明該電流源具有一定的帶載能力。
    從圖6可知電路頻率特性較好,上限截至頻率為53 kHz。基本可以用在低頻測試環(huán)境中。當(dāng)頻率要求比較高時，集成運(yùn)放可以改為寬帶集成運(yùn)放。
    本文巧妙運(yùn)用Howland電流源電路及其延拓電路，構(gòu)建壓控電流源，使電流源性能顯著提高。由于圖5電路繼承了運(yùn)算放大器的優(yōu)良性能，使該電流源具有精度高，輸出阻抗高，頻率響應(yīng)好等特點。在兼有Howland電流源主要特征的同時，對其進(jìn)行了改進(jìn)和補(bǔ)充，使其性能更優(yōu)。該電路可以應(yīng)用在儀表放大器電流傳輸器、浮置阻抗變換器、高性能模擬放大器等電路的設(shè)計中，由于電路結(jié)構(gòu)簡單，易于集成化，集成后的性能將更加優(yōu)越，應(yīng)用前景廣闊。
參考文獻(xiàn)
[1] PEASE R A. Pease, A Comprehensive Study of the Howland current pump[EB]. National Semiconductor Application Note, 2008.
[2] 秦玲,賴青貴,張良. 基于運(yùn)算放大器的壓控恒流源[J]. 強(qiáng)激光與粒子束,2010,22(3):553-556.
[3] 楊永輝,顏曉嬿,郭恒. 高精度工頻恒流源設(shè)計[J].電測與儀表,2009,46(10):72-75.
[4] YING J H, FANG C, ZHANG J Y. Design of temperature  independent current reference based on superposition technology[J]. Microelectronics ＆ Computer，2008，25 (3):114-118.