Howland电流源

本文旨在介绍一个经典电流源—Howland电流源的理论知识以及相关仿真。在本文后再写一篇文章介绍Howland电流的一些影响参数！

文章目录

Howland电流源
一、 V/I转换电路
二、基本Howland电流泵
三、改进1.0- Howland电流泵
四、改进2.0- Howland电流泵
五、 Howland电流泵仿真
- 仿真1：MULTISM仿真
- 仿真2：LTspice仿真

一、 V/I转换电路

运算放大器：采用电阻构建稳定的负反馈网络即可实现输入电压的稳定放大。

我们再模电中介绍完基本放大电路的分析方法后，便开始介绍集成运放的构成，随后便开始讲解运放的基本应用。运算放大器，“人”如其名，它主要功能便是用于运算。我们最熟悉的同相比例放大电路如下所示。

在这里插入图片描述
那么我们将R2视为负载呢？利用运放的”虚断“即可知R2的电流和R1的电流相等，而通过“虚短”又可得到R1的电流（与输入电压成比例）。
现考虑采用运放构建一个V/I转换电路，即负载电流和输入电压信号成比例关系，根据以上得到一个简易版本的V/I转换电路。
在这里插入图片描述

最简单的方式将反馈回路RF视作负载电阻，此时负载两端的电流只和输入电压和RG有关，即实现了输出电流和输入电压的比例关系。但是存在以下缺点：
①负载需为稳定的电阻网络；
②负载的电流受到运放的输出电流限制，比如运放AD797的最大输出电流是50mA。

二、基本Howland电流泵

那该如何采用运放构建一个V/I转换电路呢？运放只有负反馈回路显然是不满足要求的，因此在上图的电路中引入正反馈，此处讲解一下基于正反馈的负阻转换器（NIC)。

诺顿定理：对于任何线性电路，都可以等效为理想电流源和并联一个电阻。

通过以上公式计算得到等效电阻为：在这里插入图片描述

该电阻相对于输入电压信号为一个负电阻，该电路便称为负电阻转换器。基于此，基于运放的Howland电流泵的电路结构如下图所示。电压源和R3串联可等效为一个理想电流源和R3并联，而R1，R2和R4构建一个负电阻。
在这里插入图片描述
而图中的Req是输入电压源串联电阻和等效接地负电阻并联得，根据基尔霍夫电流定律，可得到负载RL两端的电流为：

根据以上公式，可知只要运放的电阻电桥平衡即可得到一个电流和输入电压的关系！

三、改进1.0- Howland电流泵

这段我懒得打字了，就直接截取了我自己编写的文档！
基本的howland电流源会在R4上面产生多余的功耗，这是无用功耗，因此将R4分为两个电阻，另R4-2的电阻较小。
在这里插入图片描述

四、改进2.0- Howland电流泵

在前者的提高的基础上，提出加入运放构建的缓冲器，进一步减少电流的无用消耗。于是在此基础上，一种采用两个运放构建的Howland电流源，其基本原理框图如下所示。其中正反馈回路中，采用运放构建一个电压跟随器，并利用运放的“虚断”的特性可减少电流的无用消耗。
在这里插入图片描述

五、 Howland电流泵仿真

采用两个仿真软件进行仿真，仿真结果都正确，仿真结果如下：

仿真1：MULTISM仿真

基于改进板Howland电流泵的调制信号驱动电路（即V-I转换电路）的原理图如下所示。图中的按键S1和S2代表ARM控制的继电器，打开继电器则会有一路电流输出，LED代表激光二极管。
在这里插入图片描述
结果分析：输入信号(正弦波、幅度1V、频率1MHz)、输出理论值是Uin*10mA/V;换算得到的输出信号应该是10mA的正弦波电流信号。