如何构造频率、占空比幅度可调的精密电流源 - 基于ADI的高速DAC、运放和精密电阻

电压控制电流源广泛应用于医疗器械、工业自动化、仪器仪表等众多领域。电流源的精度、交流性能、驱动能力受到很多因素的影响，设计出高精密、高速的电流源，难度远高于设计电压源。本文以产生高至100KHz，占空比1%可调，分辨率为0.01mA，上升/下降沿为200ns的0mA~10mA电流源为例，详细讲解有关电流源的器件选型和误差来源以及如何提升性能。

工欲善其事，必先利其器。电流源是受电压源控制的，选择合适的电压源是第一步。电压源一般由MCU/FPGA配合DAC产生，电流源的频率幅度和占空比，以及上升/下降时间需由电压源控制。本文的阐述主要基于速率较高的DAC。

如果频率和占空比是可调的，可根据这两个因素决定DAC的最低采样率。如果频率100KHz，占空比1%，那么最高频率的每个1%是一个clock周期，则最低采样率需满足100K*100=10MHz。如果对上升沿和下降沿有要求时，需要关注Rise Time 和Fall Time，比如AD9706的Output Rise/Fall Time (10% to 90%)典型值为2.5ns。而对电流源的要求，无论是上升/下降沿，则不能高于这个指标。

根据需求，合理地选择DAC的分辨率。如果需要100个step可调，8bit的DAC便能满足；如果要求1000个step可调，10bit或者12bit的DAC就可以满足系统的要求。比如AD9704/5/6/7系列的DAC，是8/10/12/14bit采样率可以到175MSPS的封装兼容的DAC，可以根据步进精度选择不同的DAC。

如果用运放构造高精密快速电流源，我们需要特别关注IB较低和压摆率较高的运放，往往鱼和熊掌不可兼得，需要折中处理。

在一些小于10mA的小电流，可以采用运放电路直接输出，如超过运放最大输出电流则需要外加三极管或者MOS管。小电流源需要特别关注运放的IB指标，因为在电流源设计中，IB是个误差源，对于一些场景需要上升沿和下降沿，需要关注压摆率。如果负载很大，也需要特别关注运放的最大供电电压，一般运放输出电压不能超过电源轨。以LTC6275为例,作为供电可以高达32V的高速运放，最大IB为500nA，压摆率为2200V/µs。

这种电流源的精度取决于运放和电阻。一般运放的性能由器件供应商决定，根据项目需求选择合适的运放。下面将介绍如何选择外部电阻以最大程度减少误差。

负载电流如（1）所示：

假设R2+R5=R4,
负载电阻影响输出电流， 但如果我们设置 R1 = R3和 R2 + R5 = R4， 则方程简化为：

此处的输出电流只是 R3、 R4和 R5的函数。如果有理想放大器，电阻容差将决定输出电流的精度。
请设置 R1 = R2 = R3 = R4 = R，

如果R>>R5&RL，

如果R1=R3=R,R2=R4=n*R，

如果R>>R5&RL，

在上面计算中我们做了很多假设，比如R1 = R2 = R3 = R4 = R,这些假设几乎都是误差的来源，

IRL = IR5 + I+

为了减少误差，我们应该减少I+，可以通过提高电阻值的方式实现。另外电阻的精度也会影响电流输出的精度。

图 3  R1=R2=R3=R4=5K，负载1欧姆和1k欧姆电流的误差

图 4  R1=R2=R3=R4=100K，负载1欧姆和1k欧姆电流的误差

由图表3和图表4可以看出，在负载为1和1K欧姆，电阻选择5K欧姆和100K欧姆，电流误差从0.917mA（如图表3所示，10.099-9.182=0.917）减少到0.05mA（如图表4所示，10.005-9.955=0.05）。

另外电阻的容差也会非常影响负载电流的精度，一般普通电阻是1%的精度，假设运放上电阻是5K，由于精度问题电阻可能在4.95K欧姆~5.05K欧姆之间，假设负载是1K欧姆，那么有些情况下负载电流是9.19mA，而同样的电路负载电流可能在10mA，差距超过0.8mA（如图表5和图标6所示，10-9.189=0.811）。

图 5  5K1%精度的电阻负载1K欧姆的电流 1

图 6  5K1%精度的电阻负载1K欧姆的电流 2

由于普通电阻的一致性无法保证，可以采用ADI 4匹配电阻网络，比如LT5400电阻之间的精度可以达到0.01%，温漂也非常突出，这样可以把电阻带来的误差降到最低。

LT5400电阻卓越的匹配精度

⦁    A级：0.01%匹配准确度
⦁    B级：0.025%匹配准确度
⦁    0.2ppm/℃匹配温度漂移
⦁    ±75V工作电压（±80V绝对最大值）
⦁    8ppm/℃绝对电阻值温度漂移

另外电阻的大小会影响上升/下降时间，下图中上升较快的是R1=R2=R3=R4=10K的上升时间，上升较慢的是R1=R2=R3=R4=100K的上升时间。

上升沿振铃可以通过改变电阻大小和比例以及加一些电容来优化，这个可根据客户或者项目需求，通过软件或者实测结果进行优化，图表7，8使用LT6274来仿真，根据LTspice 可以优化上升和下降沿。

另外这种电路还是存在较大误差，可以在R2加一个用同一个运放搭建的电压跟随器，可以隔绝IR2电流，提高电源源的内阻，减少来自电阻上的电流影响，根据仿真精度，理想的话可以达到0.2%。

如果增加跟随器，阻断I+对则对电阻的大小依赖减少，可以降低R1,R2,R3,R4的电阻值来提高上升沿和下降沿。

图表10是R1=R2=R3=R4=10K，负载200欧姆，电流上升沿的波形，可以发现振铃可以达到稳定值的25%。
图表11和图表12在R2和R4并联一3p的电容，电阻值10K和1K对电流上升沿的影响，可以发现1K的上升沿明显快于10K的上升沿，另外也可以发现增加电容可以减少振铃。

总的来说，适合做电流源的电路形式很多，需要根据客户的需求选择不同的方案。对于需要负载接地的电流源，如果高速和精度都需要达到一定的要求，其电流源需要细心处理，因为电阻的精度和电阻的阻值大小会严重影响电流源的精度。另外，高速电流源电阻的大小也会影响电流源上升时间和下降时间以及振铃。在精度要求较高的情况下，为了增加电流源的内阻，可以在Howland 电流源的误差节点增加电压跟随器，此时可以兼容上升/下降沿的时间和电流源的精度。