CN103592986B - 一种差动输出的恒流源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动输出的恒流源电路，所述恒流源电路包括：第一放大器与第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻组成了Howland形式的电流源电路；所述第四电阻的一端接地，所述第一电阻的一端接输入电压信号；所述第二电阻分别连接负载和第二放大器的正极性端，所述第二放大器的输出端通过第六电阻接第三放大器的负极性端，所述第三放大器的正极性端接地；所述第三放大器的输出端通过第七电阻接所述第六电阻；所述负载接所述第三放大器的输出端。该恒流源电路在具有较高输出阻抗的Howland电流源电路的基础上增加了反向输入端，这种差动输出的恒流源电路具有较高的输出阻抗和较强的抗干扰能力，提高了电路的带负载能力。

Description

一种差动输出的恒流源电路

技术领域

本发明涉及恒流源电路领域，特别涉及一种高输出阻抗，高稳定性，带负载能力和抗干扰能力强的差动输出的恒流源电路。

背景技术

在电路测量中，信号源电路分为电流源电路和电压源电路。对于电压源，输出阻抗越小越好，这样内阻基本上不参与输出电压的分压，所以负载电阻不管多大，它上面的电压基本不变。在放大电路中常常引入电压深度负反馈，反馈深度越深，放大电路的稳定性越好，频带越宽，输出阻抗越小。对于电流源电路，输出阻抗越大，内阻分得到电流越小，所以电流很稳定。引入电流深度负反馈能够增加电流放大器的稳定性，保证输出电流不会因为负载的变化而发生较大的变化。恒流源电路主要用于阻抗测量和仪器仪表的测量领域。在生物医学阻抗测量系统中，要求恒流源电路具有较高的输出阻抗，较强的抗干扰能力和带负载能力。

王超等提出了“用于医学电阻抗成像电压控制电流源”[1]和“基于虚参考点的生物阻抗测量方法”[2]，采用电流反馈放大器AD844为核心，但该电路存在较大的直流误差，并且电流源输出阻抗不高。HongweiHong等[3]设计了一种集成的电流源电路，并且与改进的Howland电流源电路进行了比较。AaronS等[4]设计了一种带有超前和滞后校正电路的改进Howland电流源电路，这些电路形式都能达到生物医学阻抗测量电路所要求的精度，但是从电路本身不能实现差动恒流源电路所达到的较高的抗干扰能力。

李刚等[5]设计了一种差动输出的恒流源电路，但是这种差动电路结构复杂，放大级数较多，稳定性较差以及恒流源电路的输出阻抗低,以至于很难达到在高频情况下阻抗测量系统对恒流源电路精度和稳定性的要求。

[1]王超，王化祥，用于医学电阻抗成像电压控制电流源[J]，电子测量技术，3：32-34，2001

[2]王超，王化祥，基于虚参考点的生物阻抗测量方法[J]，天津大学学报，38(4)：352-355，2005.

[3]HongweiHong,MohamadRahal,AndreasDemosthenousandRichardHBayford.ComparisonofanewintegratedcurrentsourcewiththemodifiedHowlandcircuitforEITapplications,Physiol.Meas.,30：999–1007，2009

[4]AaronS.Tucker,RobertM.Fox,andRosalindJ.Sadleir,Biocompatible,HighPrecision,Wideband,ImprovedHowlandCurrentSourceWithLead-LagCompensation,IEEEtransactionsonbiomedicalcircuitsandsystems,7(1):63-70，2013

[5]李刚，林凌，差动输出的恒流源装置，200610013209.7。

发明内容

本发明提供了一种差动输出的恒流源电路，该恒流源电路提高了抗干扰能力，实现了恒流源电路的高精度和高稳定度，详见下文描述：

一种差动输出的恒流源电路，所述恒流源电路包括：第一放大器与第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻组成了Howland形式的电流源电路；所述第四电阻的一端接地，所述第一电阻的一端接输入电压信号；所述第二电阻分别连接负载和第二放大器的正极性端，所述第二放大器的输出端通过第六电阻接第三放大器的负极性端，所述第三放大器的正极性端接地；所述第三放大器的输出端通过第七电阻接所述第六电阻；所述负载接所述第三放大器的输出端。

所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器的型号为OPA842。

一种差动输出的恒流源电路，所述恒流源电路包括：第一放大器与第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻组成了Howland形式的电流源电路；所述第四电阻的一端接地，所述第一电阻的一端接输入电压信号；第四放大器的负极性端接负载，正极性端接地；输出端接到所述负载的另一端。

所述第一放大器的型号为OPA842，所述第四放大器的型号为AD8226。

一种差动输出的恒流源电路，所述恒流源电路包括：第一放大器与第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻组成了Howland形式的电流源电路；所述第一电阻的一端接地，所述第四电阻的一端接输入电压信号；所述第二电阻分别连接负载和第二放大器的正极性端，所述第二放大器的输出端通过第六电阻）接第三放大器的负极性端，所述第三放大器的正极性端接地；所述第三放大器的输出端通过第七电阻）接所述第六电阻；所述负载接所述第三放大器的输出端。

所述第一放大器、所述第二放大器和所述第三放大器的型号为OPA842。

一种差动输出的恒流源电路，所述恒流源电路包括：第一放大器与第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻组成了Howland形式的电流源电路；所述第一电阻的一端接地，所述第四电阻的一端接输入电压信号；第四放大器的负极性端接负载，正极性端接地；输出端接到所述负载的另一端。

所述第一放大器的型号为OPA842，所述第四放大器的型号为AD8226。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提供了一种电路结构简单，输出阻抗高，带负载能力和抗干扰能力强的恒流源电路，在具有较高输出阻抗的Howland电流源电路的基础上增加了反向输入端，这种差动输出的恒流源电路具有较高的输出阻抗和较强的抗干扰能力，并在Howland恒流源电路的基础上提高了电路的带负载能力。

附图说明

图1为一种差动输出的恒流源电路的原理图；

图2为一种差动输出的恒流源电路的另一原理图；

图3为一种差动输出的恒流源电路的另一原理图；

图4为一种差动输出的恒流源电路的另一原理图。

附图中，各部件的列表如下：

A₁：第一放大器；A₂：第二放大器；

A₃：第三放大器；A₄：第四放大器；

R₁：第一电阻；R_2A：第二电阻；

R_2B：第三电阻；R₃：第四电阻；

R₄：第五电阻；R₅：第六电阻；

R₆：第七电阻；R_L：负载。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了提高抗干扰能力，实现恒流源电路的高精度和高稳定度，本发明实施例提供了一种差动输出的恒流源电路，详见下文描述：

实施例1

参见图1，放大器A₁,A₂和A₃均采用高速运算放大器OPA842，电阻R₁,R_2A,R_2B,R₃,R₄以及运算放大器A₁组成了Howland形式的电流源电路，R₃的一端接地，R₁的一端接输入电压信号。其中，为了提高电流源电路的输出阻抗，本电路中的电阻均采用精密而且温度稳定系数较高的金属膜电阻。当电路结构满足：

$\frac{R_4}{R_3}=\frac{R_{2A}+R_{2B}}{R_1}---\left(1\right)$

电路输出的电流为：

$I_s=\left(\frac{V_i}{R_{2B}}\right)\left(\frac{R_{2A}+R_{2B}}{R_1}\right)---\left(2\right)$

当电路中参数满足：

$\frac{R_4}{R_3}=\frac{R_{2A}+R_{2B}}{R_1}=k---\left(3\right)$

电路输出的电流为：

$I_s=k\frac{V_i}{R_{2B}}---\left(4\right)$

可见当电路参数对称且稳定时，电路输出电流仅与输入电压的大小有关系。由放大器A₂构成的跟随器电路能够提高电路的输出阻抗，当时，放大器A₃与电阻R₅和R₆构成了增益为1的反向放大电路，将负载R_L一端的电压反向后输入到负载的另一端，可以得到：

V₁=-V₂（5）

图1所示的差动输出恒流源电路输出的共模电压可以表示为：

$V_c=\frac{1}{2}(V_1+V_2)---\left(6\right)$

由式(5)和(6)得到，此差动恒流源电路输出的共模电压为零，显著增强了电路的抗噪性能，而且负载上可以得到恒定的输出电流I_S。

实施例2

参见图2，放大器A₁采用高速运算放大器OPA842，放大器A₄采用仪表放大器AD8226。电阻R₁,R_2A,R_2B,R₃,R₄以及运算放大器A₁组成了Howland形式的电流源电路，R₃的一端接地，R₁的一端接输入电压信号。同样电路中所用电阻均采用误差为0.01%的金属膜电阻。仪表放大器A₄的负向输入端接负载电阻R_L的一端，正向输入端接地，输出端接到负载电阻R_L的另一端。当仪表放大器的放大倍数为1时，可以得到负载两端的电压大小相等，方向相反，电路输出的共模干扰信号为零。当电路中的参数满足式（3）时，同样，此差动输出的恒流源电路能够获得较高的输出阻抗和稳定的电流输出，输出电流的大小为式（4）所示。

实施例3

参见图3，放大器A₁,A₂和A₃均采用高速运算放大器OPA842，电阻R₁,R_2A,R_2B,R₃,R₄以及运算放大器A₁组成了Howland形式的电流源电路，R₁的一端接地，R₃的一端接输入电压信号。运算放大器A₂和A₃以及电阻R₅和R₆构成了增益为1的反向放大电路。当电路参数满足式（1）时，负载R_L上的电流为：

$I_s=\left(\frac{V_i}{R_{2B}}\right)\left(\frac{R_4}{R_5}\right)---\left(7\right)$

当电路中参数关系满足式（3）时，电路的输出电流为式（4）所示。同样负载R_L两端的电压等大反向。电路输出的共模电压信号为零。

实施例4

参见图4，放大器A1采用高速运算放大器OPA842，放大器A4采用仪表放大器AD8226。电阻R1,R2A,R2B,R3,R4以及运算放大器A1组成了Howland形式的电流源电路，R1的一端接地，R3的一端接输入电压信号。仪表放大器A4构成放大倍数为1的反向放大器。当电路中参数关系满足式（3）时，电路的输出电流为式（4）所示，而且电路输出的共模干扰信号为零。

本发明实施例对上述元器件的型号不做限制，除了做特殊说明的以外，均可采用本领域公知的能实现上述功能的器件。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种差动输出的恒流源电路，其特征在于，所述恒流源电路包括：第一放大器(A₁)与第一电阻(R₁)、第二电阻(R_2A)、第三电阻(R_2B)、第四电阻(R₃)和第五电阻(R₄)组成了Howland形式的电流源电路；所述第四电阻(R₃)的一端接地，所述第一电阻(R₁)的一端接输入电压信号；所述第二电阻(R_2A)分别连接负载(R_L)和第二放大器(A₂)的正极性端，第二放大器(A₂)的负极性端连接其输出端，所述第二放大器(A₂)的输出端通过第六电阻(R₅)接第三放大器(A₃)的负极性端，所述第三放大器(A₃)的正极性端接地；所述第三放大器(A₃)的输出端通过第七电阻(R₆)接所述第六电阻(R₅)；所述负载(R_L)的另一端接所述第三放大器(A₃)的输出端；

所述第一放大器(A₁)、所述第二放大器(A₂)和所述第三放大器(A₃)的型号为OPA842；所述恒流源电路输出的共模电压为零；

第三放大器(A₃)与第六电阻(R₅)和第七电阻(R₆)构成了增益为1的反向放大电路。

2.一种差动输出的恒流源电路，其特征在于，所述恒流源电路包括：第一放大器(A₁)与第一电阻(R₁)、第二电阻(R_2A)、第三电阻(R_2B)、第四电阻(R₃)和第五电阻(R₄)组成了Howland形式的电流源电路；所述第四电阻(R₃)的一端接地，所述第一电阻(R₁)的一端接输入电压信号；第四放大器(A₄)的负极性端接负载(R_L)，正极性端接地，输出端接到所述负载(R_L)的另一端；第四放大器(A₄)的负极性端连接于第二电阻(R_2A)与第三电阻(R_2B)之间，第四放大器(A₄)的放大倍数为1；

所述第一放大器(A₁)的型号为OPA842，所述第四放大器(A₄)的型号为AD8226；所述恒流源电路输出的共模电压为零。

3.一种差动输出的恒流源电路，其特征在于，所述恒流源电路包括：第一放大器(A₁)与第一电阻(R₁)、第二电阻(R_2A)、第三电阻(R_2B)、第四电阻(R₃)和第五电阻(R₄)组成了Howland形式的电流源电路；所述第一电阻(R₁)的一端接地，所述第四电阻(R₃)的一端接输入电压信号；所述第二电阻(R_2A)分别连接负载(R_L)和第二放大器(A₂)的正极性端，第二放大器(A₂)的负极性端连接其输出端，所述第二放大器(A₂)的输出端通过第六电阻(R₅)接第三放大器(A₃)的负极性端，所述第三放大器(A₃)的正极性端接地；所述第三放大器(A₃)的输出端通过第七电阻(R₆)接所述第六电阻(R₅)；所述负载(R_L)的另一端接所述第三放大器(A₃)的输出端；

所述第一放大器(A₁)、所述第二放大器(A₂)和所述第三放大器(A₃)的型号为OPA842；所述恒流源电路输出的共模电压为零；

第二放大器(A₂)和第三放大器(A₃)以及第六电阻(R₅)和第七电阻(R₆)构成了增益为1的反向放大电路。

4.一种差动输出的恒流源电路，其特征在于，所述恒流源电路包括：第一放大器(A₁)与第一电阻(R₁)、第二电阻(R_2A)、第三电阻(R_2B)、第四电阻(R₃)和第五电阻(R₄)组成了Howland形式的电流源电路；所述第一电阻(R₁)的一端接地，所述第四电阻(R₃)的一端接输入电压信号；第四放大器(A₄)的负极性端接负载(R_L)，正极性端接地，输出端接到所述负载(R_L)的另一端；第四放大器(A₄)的负极性端连接于第二电阻(R_2A)与第三电阻(R_2B)之间，第四放大器(A₄)的放大倍数为1；

所述第一放大器(A₁)的型号为OPA842，所述第四放大器(A₄)的型号为AD8226；所述恒流源电路输出的共模电压为零。