在電路理論中，電壓源和電流源同樣理想且同樣易于實現。您只需畫一個圓圈，然后為電壓添加加號和減號或為電流添加箭頭。現在您有一個電路元件，它可以在所有條件下產生指定電壓或在所有條件下驅動指定電流。

在現實生活中，源并不理想，而且，逼近理論電壓源比逼近理論電流源要容易得多。電壓源就像電池、齊納二極管或與緩沖器結合的電阻分壓器一樣簡單。

另一方面，電流源通常需要一些巧妙的電路設計和對操作細節的更多關注。

電流源架構

有多種設計電流源的方法。在我們研究雙運算放大器拓撲之前，讓我們簡要回顧一些其他選項。您可以通過單擊相應的鏈接了解有關所有這些主題的更多信息。

一種有趣的方法是使用電壓調節器作為電流調節器：

LT3085 的應用圖。圖片由Linear Devices(模擬設備)提供

另一種選擇是基于放大器的電路，我在上一篇關于如何設計簡單、電壓控制的雙向電流源的文章中討論了該電路。基于放大器的電路有點讓人想起雙運放拓撲，但其中一個放大器是儀表放大器而不是運算放大器。

電壓可編程電流源圖。圖片由Linear Devices(模擬設備)提供

最后，我們有Howland 電流泵，在 Sergio Franco 博士撰寫的 AAC 文章中對其進行了徹底分析。

兩運放拓撲

我在 ADI 公司的舊應用筆記中發現了這個被描述為“精密電流泵”的電路。它產生與輸入電壓成正比的雙向輸出電流。

原電路圖如下：

精密電流泵示意圖。圖片由ADI 公司提供

這個電路有一些我喜歡的地方。首先，只需要兩種類型的組件：運算放大器和電阻器。

其次，運算放大器具有相同的部件號。該電路確實使用了兩個運算放大器，而 Howland 泵只使用了一個，但兩個運算放大器可以是完全相同的部件這一事實是有利的，因為您可以使用雙運算放大器 IC 封裝，從而最大限度地減少任何第二個運算放大器需要額外的成本或電路板空間。

第三，五個電阻中的四個(R2、R3、R4、R5)可以具有相同的值，然后電壓-電流增益由一個電阻(R1)控制。R2–R5 的值并不重要，因此您可以使電路適應實驗室中已有的組件或現有的 BOM。但請記住，更高精度的電阻會產生更高精度的電流源。

第四，輸入電壓是差分的。這為您提供控制電壓的方式提供了一定的靈活性，并且允許您利用電路的雙向輸出電流能力，而無需生成延伸至地以下的控制電壓。

兩個運算放大器電流源的基本操作

我們將使用 LTspice 實現來幫助我們分析兩個運算放大器的電流源。

這里我使用的是 LTspice“理想的單極運算放大器”。我最初用 OP-77 進行了嘗試，但模擬運行不正常。OP-77 宏模型可能存在問題，因為我有另一個版本的電路，它使用 LT1001A 運算放大器并且可以正確模擬。

恒流源電路通常依賴于某種類型的反饋，無論負載電阻如何，都會導致電壓源產生指定的電流。(您可以在我為顏色傳感器項目設計的壓控 LED 驅動器中看到一個簡單的例子。)

在雙運放電流泵中，U1 放大差分控制電壓，U2 配置為電壓跟隨器，檢測負載兩端的電壓并將其反饋到輸入級。

上面顯示的電壓源配置產生一個從 +250 mV 到 –250 mV 變化的差分輸入電壓。根據應用筆記中提供的公式，輸出電流應在 2.5 mA 至 –2.5 mA 之間變化，因為 A V = 1 且 R1 = 100 Ω，這正是我們觀察到的：

對于該電路，您需要注意的一件事是 U1 輸出電壓。所有負載電流都來自 U1。如果我們忽略流經反饋電阻 R4 并進入 U2 正輸入端的非常小的電流，則 U1 輸出端的電壓將等于 I OUT乘以負載電阻和 R1 的電阻之和。

這個電壓很容易超過運算放大器的輸出級實際可以產生的電壓，特別是如果您使用的是 ±3 V 或 ±5 V 電源軌而不是 ±12 V 或 ±15 V 模擬電源電壓，我相信，過去常見。

由于這個限制，我認為雙運放電流泵是低負載電阻和/或小輸出電流應用的理想選擇。

結論

我們快速瀏覽了具有合理 BOM 要求并包含差分控制電壓輸入級的雙向電流源電路。在下一篇文章中，我們將使用 LTspice 更詳細地分析電路的性能。