利用差动放大器AD8276和运算放大器AD8603构建高精度、低成本电流源 (CN0099)

电流源广泛用于工业、通信和其它设备中的传感器激励和设备间通信等领域。例如，过程控制设备中广泛采用的4 mA至20 mA环路。

利用DAC、放大器（运算放大器或差动放大器）和匹配电阻，可以构建可编程电流源。低值电流源可以集成到低输出电流源或放大器中。例如，仪表放大器AD8290内部集成一个电流源，高分辨率Σ-Δ ADCAD7794 具有两个集成电流源。对于较大电流，一般需要外部MOSFET或晶体管。

利用低功耗差动放大器AD8276和运算放大器AD8603构建的电流源，不仅经济、灵活、小巧，而且初始误差、温度漂移和功耗等性能也都非常出色。

图1：利用差动放大器AD8276和运算放大器AD8603构建电流源（原理示意图）

 

电流源电路如图1所示。基准电压V_REF加在AD8276的同相输入端，该电压控制输出电流量 I_O。 AD8276的反相输入端则直接接地。该器件内置四个40 kΩ激光调整电阻，分别与输入引脚、REF引脚和SENSE引脚相连。如果需要高电流输出，则AD8276的输出可用来驱动一个晶体管。

如果电阻完全匹配，R₁上的电压即输入电压V_REF，从而产生恒定的负载电流I_O，它等于V_REF/R₁。

由于运算放大器AD8603具有低偏置电流（最大值为1 pA）和低失调电压（小于50 μV）特性，所以在电路的反馈环路中选用该器件。低偏置电流特性使它能与高阻抗负载接口，而不会引入明显的失调误差。低温度漂移特性（最大值为4.5 μV/°C）使它能在较宽的温度范围内工作，而且该放大器还具有低噪声以及轨到轨输入和输出特性。

输出电流值I_O可通过下式计算：

 

AD8276具有非常严格的电阻匹配，R_F1/_RG1 = R_F2/_RG2 = 1，因此公式1可简化为： 

公式1显示，图1所示电路的主要误差源于内部电阻匹配、R₁的公差和负载电阻的公差。AD8276（B级）的最大增益误差为0.02%，AD8276（A级）的最大增益误差为0.05%，该电路的整体精度可以达到0.02%。

同时，R₁的精度也非常重要，其公差应达到0.1%或更佳，此误差可通过校准来消除。

电路的输出电流量I_O受以下因素限制：运算放大器输入范围、差动放大器输出范围以及差动放大器SENSE引脚电压范围。

根据图1，必须满足以下三个条件：

1. V_LOAD = I_O × R_LOAD 必须在运算放大器AD8603的输入范围内。
2. V_OUT = I_O × (R_LOAD + R₁) 必须在AD8276 SENSE引脚电压范围内：2(−V_s) − 0.2 V 至 2(+V_s) − 3 V.
3. I_O × (R_LOAD + R₁) + 2(−V_s) − 0.2 V 至 2(+V_s) − 3 V 必须在AD8276输出电压范围内：–V_s + 0.2 V 至 +V_s − 0.2 V.

AD8276B的最大失调电压漂移为2 μV/°C，最大增益漂移为1 ppm/°C，温度漂移较低，工作温度范围较宽。AD8276A的最大失调电压漂移和最大增益漂移分别为5 μV/°C和5 ppm/°C。

AD8276（8引脚MSOP）和AD8603（5引脚TSOT-23）均采用小尺寸封装，因此该电路所需的电路板面积极小。

外部电流源晶体管T1的击穿电压V_CB应高于AD8276电源电压。该晶体管的最大集电极电流应高于预期的输出电流并具有适当的裕量，而且必须遵循晶体管功耗限制。推荐使用2N3904、2N4401、2N3391和MPSA06等低成本晶体管。

AD8276可以驱动15 mA以下的输出电流，而不需要外部晶体管或MOSFET。

图2所示为室温下采用AD8276A、AD8603和2N3904的测试结果。R₁为50 Ω，公差0.1%。显然，实际输出与计算结果相符。在所示数值范围内，测量结果与理想结果相差无几，不超过0.5%，平均误差低于R₁公差限制的0.1%。

图2：利用AD8276A、AD8603和2N3904构建的电流源测试结果（R1 = 50 Ω，RLOAD = 100 Ω，Vs = +5 V，TA = 25°C）