利用数字电位计AD5292和运算放大器ADA4091-4构建可编程双向电流源 (CN0117)

图1所示电路采用digiPOT+系列数字电位计 AD5292 、四通道运算放大器和基准电压源ADA4091-4 和基准电压源ADR512 ，提供一种可编程双向Howland电流源。该电路在±18.4 mA输出电流范围内提供10位分辨率。AD5292可以通过SPI兼容型串行接口编程。

AD5292具有±1%电阻容差，因而可以与外部分压器电阻串联，如图5所示，以降低最大输出电流，而无需匹配电路中的电阻。缩小IOUT范围可以起到提高输出电流灵敏度的作用。

AD5292内置一个20次可编程存储器，可以在上电时自定义输出电流 I_OUT 。本电路具有高精度、低噪声和低输出电压温度系数等特性，非常适合数字校准应用。

图1. 可编程双向电流源（原理示意图，未显示去耦和所有连接）

 

本电路采用数字电位计AD5292、基准电压源ADR512和运算放大器ADA4091-4，提供一种10位、可编程双向电流源。本电路可保证单调性，微分非线性(DNL)为±1 LSB，积分非线性典型值为±2 LSB。

双极性高压稳压器由低压基准电压源与后接的同相放大器和反相放大器组成，放大器的增益分别由R₁ 与 R₂的比值和与 R₄的比值决定。1.200 V基准电压源ADR512具有低温度漂移、高精度和超低噪声性能。

确保ADR512最小工作电流的最大电阻值由公式1确定。


如图1所示，R_BIAS 电阻为3.9 kΩ，可将ADR512的偏置电流设置为3.5 mA。

ADA4091-4是一款运算放大器，具有低失调电压和轨到轨输出。ADR512与ADA4091配合使用，可提供低温度系数和低噪声输出电压。

电阻 R₁ 和 R₂ 用来调整同相放大器U1A的增益。输出电压V₁决定最大正输出电流范围。可以用公式2和公式3计算电阻值。

最大负输出电流范围由R₃ 和 R₄调整，这两个电阻决定反相放大器U1B的输出电压V₂。可以用公式4和公式5计算电阻值。

如图1所示，所选电阻使同相放大器和反相放大器分别提供+11.5和−11.5的增益，由此可提供±13.8 V的双极性调节电压。可以用这些电压为其它电路供电，最大输出电流为+17 mA。

公式6和公式7可计算Howland电流源的输出电流，图2显示最大输出电流IOUT与码的关系。


其中D为载入该数字电位计的码。

图2. 最大输出电流与十进制码的关系

 

图3和图4分别显示典型的积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)曲线。

图3. INL与十进制码的关系

 

图4. DNL与十进制码的关系

 

如图1所示，双向电流源在±18.4 mA的最大输出范围内工作。为提高电路精度，应重新计算运算放大器U1C和U1D中的电阻值，或者降低AD5292上的基准电压，以减小最大输出电流 I_OUT。这样便可在有限的输出电流范围内提供全部10位分辨率。

运算放大器U1C和U1D中的电阻可以利用公式6和7重新计算，但应注意，根据计算值选择标准电阻值时，必须使误差最小。重新计算双极性输出稳压器以及U1A、U1B的输出电压，或者使用两个外部电阻，如图5所示，可以降低AD5292的基准电压 V₁ 和 V₂。

图5. 使用较小基准电压提高精度（原理示意图，未显示去耦和所有连接）

 

当基准电压源V1和V2是主系统电源时，与AD5292串联的电阻就很有用。数字电位计通常具有±20%的端到端电阻容差误差，由于数字电位计与外部电阻之间存在失配误差，因此会影响电路精度。AD5292则具有业界领先的±1%电阻容差性能，有助于克服失配电阻误差问题。

AD5292具有一个20次可编程存储器，可以在上电时将电路输出电流预设为特定值。

为了使本文所讨论的电路达到理想的性能，必须采用出色的布局、接地和去耦技术（请参考教程MT-031 和 教程MT-101）。至少应采用四层PCB：一层为接地层，一层为电源层，另两层为信号层。