Op を使用して高精度電流ポンプを設計する方法

回路理論では、電圧源と電流源は同様に理想的であり、実装も同様に簡単です。 円を描いて、電圧のプラス記号とマイナス記号、電流の矢印を追加するだけです。 これで、あらゆる条件下で指定された電圧を生成する、またはあらゆる条件下で指定された電流を駆動する回路要素が完成しました。

現実の電源は理想的なものではなく、さらに、理論上の電圧源を近似することは、理論上の電流源を近似するよりもはるかに簡単です。 電圧源は、バッテリー、ツェナー ダイオード、またはバッファと組み合わせた抵抗分圧器と同じくらい単純です。

一方、電流源は通常、巧妙な回路設計と動作の詳細への細心の注意を必要とします。

電流源を設計するにはさまざまな方法があります。 2 オペアンプ トポロジについて説明する前に、他のオプションをいくつか簡単に確認してみましょう。 それぞれのリンクをクリックすると、これらすべてのトピックについて詳しく知ることができます。

興味深いアプローチの 1 つは、電圧レギュレータを電流レギュレータとして使用することです。

もう 1 つのオプションは、シンプルな電圧制御の双方向電流源の設計方法に関する以前の記事で説明したアンプベースの回路です。 アンプベースの回路は、なんとなく 2 オペアンプ トポロジを思い出させますが、アンプの 1 つはオペアンプではなく計装アンプです。

最後に、セルジオ フランコ博士が書いた AAC の記事で徹底的に分析されたハウランド電流ポンプがあります。

私は、Analog Devices の古いアプリケーション ノートで「高精度電流ポンプ」と説明されているこの回路を見つけました。 入力電圧に正比例する双方向の出力電流を生成します。

元の回路図は次のとおりです。

この回路について気に入っている点がいくつかあります。 まず、必要な部品はオペアンプと抵抗の 2 種類だけです。

第二に、オペアンプの部品番号は同じです。 確かに、この回路では 2 つのオペアンプが使用されているのに対し、ハウランド ポンプでは 1 つだけが使用されていますが、両方のオペアンプをまったく同じ部品にすることができるという事実は、デュアル オペアンプ IC パッケージを使用できるため、あらゆるものを最小限に抑えることができるという利点があります。 2 番目のオペアンプには追加のコストまたは基板スペースが必要です。

第三に、5 つの抵抗器のうち 4 つ (R2、R3、R4、R5) が同じ値を持つことができ、その場合、電圧対電流ゲインは 1 つの抵抗器 (R1) によって制御されます。 R2 ～ R5 の値は重要ではないため、研究室にすでにあるコンポーネントまたは既存の BOM に回路を適合させることができます。 ただし、抵抗の精度が高くなると、電流源の精度も高くなります。

第 4 に、入力電圧は差動です。 これにより、制御電圧の供給方法にある程度の柔軟性が与えられ、グランド以下に広がる制御電圧を生成する必要なく、回路の双方向出力電流機能を活用できるようになります。

LTspice 実装を使用して、2 つのオペアンプ電流源を解析します。

ここではLTspiceの「理想的な単極オペアンプ」を使用しています。 最初はOP-77で試してみましたが、シミュレーションがうまくいきませんでした。 LT1001A オペアンプを使用する別のバージョンの回路があり、正しくシミュレートされるため、OP-77 マクロモデルに問題があった可能性があります。

定電流源回路は一般に、負荷抵抗に関係なく電圧源に指定された電流を生成させる、ある種のフィードバックに依存します。 (これのわかりやすい例は、私がカラー センサー プロジェクト用に設計した電圧制御 LED ドライバーで見ることができます。)

2 オペアンプ電流ポンプでは、U1 は差動制御電圧を増幅し、U2 は負荷の両端の電圧を検出して入力段にフィードバックする電圧フォロワとして構成されます。

上に示した電圧源構成では、+250 mV から –250 mV まで変化する差動入力電圧が生成されます。 アプリケーション ノートに記載されている式によれば、AV = 1 および R1 = 100 Ω であるため、出力電流は 2.5 mA から –2.5 mA まで変化するはずであり、これはまさに次のとおりです。

この回路で注意する必要があることの 1 つは、U1 の出力電圧です。 負荷電流はすべて U1 から供給されます。 フィードバック抵抗 R4 を通って U2 の正入力端子に流れる非常に小さな電流を無視すると、U1 の出力端子の電圧は、IOUT に負荷抵抗と R1 の抵抗の合計を乗算した値に等しくなります。

\[V_{OUT,U1}\約 \left(R_{LOAD}+R1\right)I_{OUT}\]

この電圧は、オペアンプの出力段が実際に生成できる電圧を簡単に超える可能性があります。特に、以前の±12 V または ±15 V のアナログ電源電圧ではなく、±3 V または ±5 V のレールを使用している場合は、それ以上であると思います。昔はよくあった。

この制限のため、負荷抵抗が低いアプリケーションや出力電流が小さいアプリケーションには、2 オペアンプ電流ポンプが適していると言えます。

ここでは、妥当な BOM 要件を備え、差動制御電圧入力段を組み込んだ双方向電流源回路を簡単に見ていきました。 次の記事では、LTspice を使用して回路のパフォーマンスをさらに詳しく分析します。