了解如何模拟围绕运算放大器和仪表放大器构建的有趣电流源。
　　本文是 AAC 模拟电路集的一部分，研究了围绕运算放大器和仪表放大器构建的电流源的操作和动态性能。
　　在上一篇文章中，我介绍了 我在旧的Linear Tech 应用笔记中发现的一种有趣的电流源拓扑。正如您在下面的示意图中所看到的，运算放大器反馈环路中的仪表放大器使运算放大器的输出产生与负载电阻无关的负载电流。

　　　

　　该电路具有高精度和良好的动态性能，并且在控制输入电压和生成的负载电流之间提供了令人愉快的直接关系。

　　在讨论拓扑的操作和动态性能之前，我们将回顾一下 LTspice 中的电路。　

　　

　　幸运的是，LTspice 包含原始设计中使用的组件的宏模型。如果您想将不同的放大器合并到该电路中，我强烈建议您选择具有随附宏模型的部件。我的直觉告诉我，这种电路应该在构建之前进行模拟。
　　如您所见，LT1102 的引脚 2 和引脚 7 当前已断开。这会将器件配置为固定增益 100，所得传递函数为I LOAD = V CNTRL /(R1×100)。如果将引脚 2 连接到地，将引脚 7 连接到引脚 8，则 LT1102 的增益将为 10，在这种情况下，传递函数变为I LOAD = V CNTRL /(R1×10)。
　　上图中所示的控制电压是一个斜坡，在 100 ms 的时间内从 –5 V 延伸到 +5 V。该控制电压将用于演示电路的低频性能。
　　低频操作

　　下图显示了电流源如何对缓慢变化的输入电压做出反应。正如预期的那样，负载电流从 –5 mA 线性增加至 +5 mA。　

　

　　我们可以通过将数学传递函数应用于控制电压，然后绘制理论输出电流和模拟输出电流之间的差异来估计电路的低频精度。　　

　　因此，我们看到的误差约为 45 μV，在 –5 V 至 +5 V 输入电压范围内仅有微小变化。考虑到两个放大器中存在的各种非理想性，这对我来说似乎相当不错（尽管我不知道这些非理想性到底是如何合并到宏观模型中的）。
　　然而，该误差假设 R1恰好为10 Ω。由于 R1（与仪表放大器的增益一起）决定了控制电压和输出电流之间的比例常数，因此如果您希望实际传递函数复制理论传递函数，则必须使用容差非常低的电阻器功能。另一方面，如果这是性项目或原型或类似项目，您可以简单地测量 R1 的电阻，然后根据测量的电阻值而不是理想值生成控制电压。
　　我使用不同的负载电阻值进行了更多模拟，总体趋势是随着负载电阻的增加，误差会减少。例如，R LOAD = 600 Ω 时的误差约为 19 μV。
　　动态性能
　　该电流源基于负反馈，其本质上涉及与稳定行为相关的一些延迟，并且放大器具有带宽和转换速率限制。因此，我们不应期望该电路将快速的输入电压变化转化为同样快速的输出电流变化。
　　然而，考虑到所有因素，输出具有良好的能力来再现控制电压的突然变化，并且还需要注意的是，这些突然变化不会产生过多的振铃。
　　为了模拟动态响应，我将电压源更改为从 0 V 过渡到 5 V 的脉冲，上升/下降时间为 1 μs。输入信号以及生成的输出电流信号如下所示。

　　

　　R负载= 600 Ω 时的动态性能。　　
　　Linear Tech 应用说明将该电路的动态响应描述为“控制良好”，我对此表示同意。输出电流以均匀的方式增加和减少，0.65 mA/μs 的斜率没有什么可抱怨的。上升沿或下降沿没有振铃，过冲幅度很低。

　　我注意到的一个有趣的细节如下图所示。下降沿之后，输出电流需要（相对）较长的时间才能返回到预期值 0 mA。　　

　　C = 0.05 μF 时的恢复行为。　

　　您可以通过减小电容器的值来缩短恢复时间，但这会导致瞬态响应不太“受控”：　　

　　C = 0.005 μF 时的恢复行为。