上一篇文章介紹了一個電路，我稱之為雙運放電流源（或電流泵）。

這是原理圖：

精密電流泵示意圖。圖片由Analog Devices提供

我展示了此拓撲的LTspice實現(xiàn)，我們查看了基本模擬的結(jié)果。不過，我想了解更多有關(guān)此電路的信息，尤其是因為它被描述為精密電流泵。我們真正期望從該電路獲得什么樣的精度？

在本文中，我們將執(zhí)行旨在回答三個問題的模擬。

1. 理想條件下的輸出電流有多精確？
2. 負載變化如何影響輸出電流的精度？
3. 當(dāng)考慮電阻容差時，典型和最壞情況下的精度是多少？

基線精度

這是我們將用于第一次模擬的電路：

施加到差分輸入級的電壓在 100 ms 間隔內(nèi)從 –250 mV 變?yōu)?250 mV。輸入電壓與輸出電流相關(guān)的公式告訴我們，流過負載的電流應(yīng)為 V IN /100。

為了查看生成的負載電流與理論預(yù)測的匹配程度，我們將繪制模擬負載電流與數(shù)學(xué)計算負載電流之間的差異。

誤差極小，其大小與負載電流的大小成正比。

負載調(diào)節(jié)

當(dāng)我們談?wù)撾妷赫{(diào)節(jié)器時，負載調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器在負載電阻變化的情況下保持恒定電壓的能力。我們可以將相同的概念應(yīng)用于電流源：對于不同的 R LOAD值，電路如何保持指定的輸出電流？

對于此仿真，我們將提供 250 mV 的固定輸入電壓，并且我們將使用“階躍”指令以 10 Ω 的階躍從 1 Ω 到 1000 Ω 改變負載。

“測量”指令允許我們繪制誤差與步進參數(shù)（即負載電阻）的關(guān)系圖，而不是與時間的關(guān)系圖；這是通過打開錯誤日志（View -> SPICE Error Log），右擊并選擇“Plot .step'ed .meas data”來完成的。

對于更大的負載電阻，輸出電流誤差確實會顯著增加——從大約 50 nA 增加到 800 nA。然而，800 nA 仍然是一個非常小的誤差。

如果我們用旨在接近真實運算放大器性能的宏模型替換理想運算放大器，您認為負載調(diào)節(jié)會有多大變化？讓我們來看看。

輸出誤差的變化百分比非常相似。在第一次模擬中，誤差在負載電阻范圍內(nèi)增加了 15.7 倍。在第二個仿真中，我使用了 LT1001A 的宏模型，它增加了 12.1 倍。

有趣的是，LT1001A 的性能優(yōu)于 LTspice“理想的單極點運算放大器”——誤差幅度在整個范圍內(nèi)要低得多，而且誤差相對于負載電阻更穩(wěn)定。我不知道該如何解釋。也許理想的單極運算放大器并不像我想象的那么理想。

電阻容差的影響

我們不需要模擬來確定 R1 電阻變化的影響；輸入電壓和輸出電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系讓我們清楚地了解偏離標稱值的 R1 值會引入多少誤差。

此外，應(yīng)用筆記中的電路圖顯示了 R4 與 R2 的比率將如何影響輸出電流，因為該比率決定了 A V，而 I OUT與 V IN乘以A V成正比。

然而，不太清楚的是電阻器之間不完美匹配的影響。電路圖表明R2和R3要匹配，R4和R5要匹配。我們可以通過執(zhí)行蒙特卡羅模擬來研究這一點，其中電阻值在其公差范圍內(nèi)變化。

如果仿真包括大量蒙特卡羅運行，則仿真結(jié)果中報告的最大和最小誤差可以解釋為與電阻容差相關(guān)的最壞情況誤差。

對于此仿真，我們將 R2 和 R4 固定為 100 kΩ；這防止了 A V的變化。我們將通過對 R3 和 R5 的值應(yīng)用蒙特卡羅函數(shù)來降低電路的匹配。

如“step”SPICE 指令所示，一次仿真包含 100 次運行?！癿c(100k,0.01)”值指定 100 kΩ 的標稱電阻，容差為 1%。

這是 100 次運行的輸出電流誤差圖。

平均誤差為 15.6 μA，是預(yù)期 2.5 mA 輸出電流的 0.6%，在最壞情況下，實際輸出電流與預(yù)期電流的偏差約為 40 μA。

我會稱之為非常好的精度。讓我們看看當(dāng)我們使用 0.1% 的公差而不是 1% 時情況如何改善。

現(xiàn)在平均誤差為 1.6 μA，僅為預(yù)期輸出電流的 0.06%，最壞情況下的誤差已降至 4 μA 范圍。

結(jié)論

我們進行了 LTspice 仿真，為雙運算放大器電流泵的性能提供了寶貴的見解。

1% 的電阻容差，確定輸入增益的電阻器固定在其理論值，可實現(xiàn)高精度。將 0.1% 的容差應(yīng)用于所有電阻器會提供良好的性能，并且由于 0.1% 的電阻器很容易買到而且不貴，我同意應(yīng)用筆記作者推薦 0.1% 容差而不是 1% 容差的觀點。