CN115729295A - 电压控制电流源 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种电压控制电流源，该电压控制电流源包括电压放大器、复合并联放大器和有源低通滤波器；电压放大器，用于将第一输入电压信号放大，输出放大后的电压信号；复合并联放大器，用于将第二输入电压信号转换为电流信号并输出，复合并联放大器用于实现宽频段大电流双极性输出；第二输入电压信号根据有源低通滤波器生成的电压反馈信号和电压放大器输出的放大后的电压信号得到；有源低通滤波器，用于检测复合并联放大器输出的电流信号，将复合并联放大器输出的电流信号中的高频杂波滤除，并根据滤除高频杂波后的电流信号生成电压反馈信号。本申请实施例可以降低高频段大电流输出时的高频杂散，实现宽频段大电流双极性输出。

Description

电压控制电流源

技术领域

本申请涉及电路供电技术领域，具体涉及一种电压控制电流源。

背景技术

电压控制电流源(Voltage Controlled Current Source，VCCS)，又称电压--电流变换器，属于电流源的一种，是将一种输入的电压信号，转换为固定频率关系的电流信号输出的电路，这种结构的电流源，在整个电子系统中，有着广泛的应用。目前的VCCS可以输出高频段小电流，或低频段输出大电流；宽频段大电流双极性输出是个需要解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种电压控制电流源，实现了宽频段大电流双极性输出，可以降低大电流输出时的高频杂散。

本申请实施例的第一方面提供了一种电压控制电流源，包括电压放大器、复合并联放大器和有源低通滤波器；

所述电压放大器，用于将第一输入电压信号放大，输出放大后的电压信号；

所述复合并联放大器，用于将第二输入电压信号转换为电流信号并输出，所述复合并联放大器用于实现宽频段大电流双极性输出；所述第二输入电压信号根据所述有源低通滤波器生成的电压反馈信号和所述电压放大器输出的放大后的电压信号得到；

所述有源低通滤波器，用于检测所述复合并联放大器输出的电流信号，将所述复合并联放大器输出的电流信号中的高频杂波滤除，并根据滤除高频杂波后的电流信号生成所述电压反馈信号。

可选的，所述电压放大器包括第一运算放大器、第一低通滤波器(Low-passfilter，LPF)、第一反馈电阻和第一接地电阻；所述第一运算放大器的同相输入端连接所述第一输入电压信号，所述第一运算放大器的输出端连接所述第一反馈电阻的第一端和所述第一低通滤波器的输入端，所述第一反馈电阻的第二端连接第一接地电阻的第一端和所述第一运算放大器的反相输入端，所述第一接地电阻的第二端接地。

可选的，所述复合并联放大器包括第一级放大模块和第二级放大模块；

所述第二级放大模块包括N个运算放大器和N个平衡电阻；N个运算放大器的输出端与所述N个平衡电阻的第一端对应连接，所述N个平衡电阻的第二端连接；

所述N个运算放大器的所有同相输入端相连，所述N个运算放大器的所有同相输入端连接所述第一级放大模块的输出端，所述N个运算放大器的反相输入端连接各自的输出端，构成同相跟随器；或者，所述N个运算放大器的所有反相输入端相连，所述N个运算放大器的所有反相输入端通过电阻连接所述第一级放大模块的输出端，所述N个运算放大器的同相输入端通过电阻接地，构成反相跟随器。

可选的，所述N个平衡电阻的阻值相同。

可选的，所述第一级放大模块包括第二运算放大器；所述第二运算放大器的输出端连接所述第一级放大模块的输出端和所述第二运算放大器的反相输入端。

可选的，所述电压控制电流源还包括第三运算放大器、第二反馈电阻和第二接地电阻，所述第三运算放大器的同相输入端连接所述N个运算放大器的其中一个运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的反相输入端连接所述第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的输出端连接所述第二反馈电阻的第一端，所述第二反馈电阻的第二端连接所述第二接地电阻的第一端和所述第一运算放大器的反相输入端，所述第二接地电阻的第二端接地。

可选的，所述N个平衡电阻的第二端连接采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端连接负载的第一端，所述负载的第二端接地。

可选的，所述N个平衡电阻的第二端连接负载的第一端，所述负载的第二端连接采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端接地。

可选的，所述有源第二低通滤波器包括第四运算放大器和第二低通滤波器；所述第二低通滤波器的输入端连接所述采样电阻的第二端，所述第二低通滤波器的第一输出端连接所述第四运算放大器的同相输入端，所述第二低通滤波器的第二输出端连接所述第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的反相输入端连接所述第四运算放大器的输出端。

可选的，所述有源第二低通滤波器包括第四运算放大器和第二低通滤波器；所述第二低通滤波器的第一输入端连接所述采样电阻的第一端，所述第二低通滤波器的第二输入端连接所述采样电阻的第二端，所述第二低通滤波器的第一输出端连接所述第四运算放大器的同相输入端，所述第二低通滤波器的第二输出端连接所述第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的反相输入端连接所述第四运算放大器的输出端。

可选的，所述有源第二低通滤波器包括第四运算放大器和第二低通滤波器；所述第二低通滤波器的输入端连接所述采样电阻的第一端，所述第二低通滤波器的第一输出端连接所述第四运算放大器的同相输入端，所述第二低通滤波器的第二输出端连接所述第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的反相输入端连接所述第四运算放大器的输出端。

可选的，所述电压控制电流源还包括采样反馈处理电路，所述采样反馈处理电路包括第三电阻和第四电阻；所述第三电阻的第一端连接第一低通滤波器的输出端，所述第三电阻的第二端连接所述第一级放大模块的输入端和所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述第四运算放大器的输出端。

可选的，所述第三电阻与所述第四电阻的比值等于所述第二接地电阻与所述第二反馈电阻的比值。

本申请实施例设计了一种电压控制电流源，包括电压放大器、复合并联放大器和有源低通滤波器；所述电压放大器，用于将第一输入电压信号放大，输出放大后的电压信号；所述复合并联放大器，用于将第二输入电压信号转换为电流信号并输出，复合并联放大用于实现宽频段大电流双极性输出；所述第二输入电压信号根据所述有源低通滤波器生成的电压反馈信号和所述电压放大器输出的放大后的电压信号得到；所述有源低通滤波器，用于检测所述复合并联放大器输出的电流信号，将所述复合并联放大器输出的电流信号中的高频杂波滤除，并根据滤除高频杂波后的电流信号生成所述电压反馈信号。本申请实施例的电压控制电压源，复合并联放大器输出高频率大电流时如果出现高频杂波，有源低通滤波器可以将复合并联放大器输出的电流信号中的高频杂波滤除，降低了电压反馈信号中高频杂波的幅度，避免高频杂波对复合并联放大器的第二输入电压信号的干扰，从而避免高频自激，进而降低电压控制电流源输出大电流时的高频杂散，从而实现了宽频段大电流双极性的输出。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种电压控制电流源的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种电压控制电流源的具体结构示意图；

图3是本申请实施例提供的另一种电压控制电流源的具体结构示意图；

图4是本申请实施例提供的另一种电压控制电流源的具体结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种有源低通滤波器的具体结构示意图；

图6是本申请实施例提供的另一种有源低通滤波器的具体结构示意图；

图7是本申请实施例提供的一种电压控制电流源的测试平台的示意图；

图8是本申请实施例提供的一种第一输入电压信号为10MHz正弦波时的负载电压测试图；

图9是本申请实施例提供的一种第一输入电压信号为1MHz方波时的负载电压测试图；

图10是本申请实施例提供的一种第一输入电压信号为脉冲波时的负载电压测试图；

图11是本申请实施例提供的一种第一输入电压信号为锯齿波时的负载电压测试图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种电压控制电流源的结构示意图。如图1所示，该电压控制电流源100包括电压放大器10、复合并联放大器20和有源低通滤波器30。

所述电压放大器10，用于将第一输入电压信号(vin)放大，输出放大后的电压信号；

所述复合并联放大器20，用于将第二输入电压信号转换为电流信号(I_out)并输出；所述第二输入电压信号根据所述有源低通滤波器生成的电压反馈信号和所述电压放大器输出的放大后的电压信号得到；

所述有源低通滤波器30，用于检测所述复合并联放大器输出的电流信号，将所述复合并联放大器输出的电流信号中的高频杂波滤除，并根据滤除高频杂波后的电流信号生成所述电压反馈信号。

对于复合并联放大器20，输出电流值低的时候，运放工作在线性区，输出的信号好，杂散、二次谐波和三次谐波都很低；当输出电流大的时候，特别是复合并联放大器20中的运算放大器的输出功率，在1dB功率压缩点和以上时候，输出的二次谐波和三次谐波增加，由于互调的非线性效应，输出的高频杂散也增加。如果没有有源低通滤波器30，输出的高频杂散，经过反馈，会造成输出杂散的幅度增大，或者造成高频自激；添加有源低通滤波器30后，有源低通滤波器30衰减了高频杂散，降低了反馈后的杂散信号的幅度，最后复合并联放大器20输出的杂散进行了降低，免除了高频自激。本申请实施例增加有源低通滤波器30后，电压控制电流源100可以在实现稳定的大电流输出，可以扩展电压控制电流源100的工作频段，拓宽了输出电流的范围。

本申请实施例的第一输入电压信号和第二输入电压信号可以是正弦波信号，也可以是方波、锯齿波信号，或其它波形。

本申请实施例的电压控制电压源，复合并联放大器输出高频段大电流时，如果出现高频杂波，有源低通滤波器可以将复合并联放大器输出的电流信号中的高频杂波滤除，降低了电压反馈信号中高频杂波的幅度，避免高频杂波对复合并联放大器的第二输入电压信号的干扰，从而避免高频自激，进而降低电压控制电流源输出大电流时的高频杂散，从而实现了宽频段大电流双极性的输出。

请参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种电压控制电流源的具体结构示意图。图2是在图1的基础上进一步优化得到的。如图2所示，所述电压放大器10包括第一运算放大器U1、第一低通滤波器LPF1、第一反馈电阻Rf1和第一接地电阻Rd1；所述第一运算放大器U1的同相输入端连接所述第一输入电压信号Vin，所述第一运算放大器U1的输出端连接所述第一反馈电阻Rf1的第一端和所述第一低通滤波器LPF1的输入端，所述第一反馈电阻Rf1的第二端连接第一接地电阻Rd1的第一端和所述第一运算放大器U1的反相输入端，所述第一接地电阻Rd1的第二端接地。

其中，第一低通滤波器LPF1用于滤除电压放大器10在放大第一输入电压信号Vin的过程中产生的高频杂波，避免高频杂波对复合并联放大器的第二输入电压信号的干扰，从而避免高频自激，进而降低电压控制电流源输出大电流时的高频杂散。

可选的，如图2所示，所述复合并联放大器20包括第一级放大模块21和第二级放大模块22；

所述第二级放大模块22包括N个运算放大器(如图2所示的221、222、…22N)和N个平衡电阻(如图2所示的Ro1、Ro2、…RoN)，所述N个运算放大器的所有同相输入端相连，所述N个运算放大器的所有同相输入端连接所述第一级放大模块21的输出端，所述N个运算放大器的反相输入端连接各自的输出端，构成同相跟随器；

N个运算放大器的输出端与所述N个平衡电阻的第一端对应连接，所述N个平衡电阻的第二端连接。

本申请实施例的复合并联放大器20可以提高输出电流，并改善信噪比。N个运算放大器可以采用相同型号的功率运算放大器，N个运算放大器采用并联的方式，N个运算放大器的延时时间相同，输出相位相同，有利于改善整个复合并联放大器20的信号工作带宽。复合并联放大器20的平衡电阻可以对相同型号的运算放大器的个体差异性(由于制造工艺等原因、即使型号相同的运算放大器也可能会存在差异)进行保护；复合并联放大器20中并联的运算放大的总个数，由第二级放大模块22的输入驱动和输入电容、第一级放大模块21的输出驱动、负载要求的输出电流，共同决定。

其中，复合并联放大器20输出的电流噪声由第一级放大模块21决定；复合并联放大器20输出的电流大小，由N个运算放大器的个数决定。当N增大时候，复合并联放大器20的输出电流增大，输出电流的误差也增大。

图2中的N个运算放大器采用同相端输入并联。在一些可能的实施例中(图2未示出，图2以N个运算放大器的所有同相输入端连接第一级放大模块21的输出端为例)，N个运算放大器也可以采用反相端输入并联。比如，N个运算放大器的所有反相输入端相连，N个运算放大器的所有反相输入端通过电阻连接第一级放大模块的输出端，N个运算放大器的同相输入端通过电阻接地，构成反相跟随器。采用反相端输入并联与采用同相端输入并联相比，复合并联放大器20的输出电流的大小相同，输出电流的相位相差180度。

可选的，所述N个平衡电阻的阻值相同。N个平衡电阻的阻值相同可以提高复合并联放大器20输出的电流的精度。当N个平衡电阻的阻值不相同时，会影响复合并联放大器20输出电流的精度。

可选的，如图2所示，所述第一级放大模块21包括第二运算放大器U2；所述第二运算放大器U2的输出端连接第一级放大模块的输出端(所述N个运算放大器的任一个的同相输入端)和所述第二运算放大器U2的反相输入端。

第二级放大模块22的输入端(N个运算放大器的任一个的同相输入端)与第一级放大模块21包括的第二运算放大器U2的反相输入端连接，构成一个负反馈通道，该负反馈通道可以用来调整复合并联放大器20的增益。

可选的，如图2所示，所述第一级放大模块21还可以包括反馈电容C1；所述第二运算放大器U2的输出端连接所述馈电容C1的第一端，所述反馈电容C1的第二端连接所述第二运算放大器U2的反相输入端。

反馈电容C1可以用来微调复合放大器20的频率特性。第二级放大模块22的输入端(N个运算放大器的任一个的同相输入端)与第一级放大模块21包括的第二运算放大器U2的反相输入端通过反馈电容C1连接，构成一个负反馈通道，该负反馈通道可以用来调整复合并联放大器20的增益。

可选的，如图2所示，所述电压控制电流源100还包括第三运算放大器U3、第二反馈电阻Rf2和第二接地电阻Rd2，所述第三运算放大器U3的同相输入端连接所述N个运算放大器的其中一个运算放大器的输出端，所述第三运算放大器U3的反相输入端连接所述第三运算放大器U3的输出端，所述第三运算放大器U3的输出端连接所述第二反馈电阻Rf2的第一端，所述第二反馈电阻Rf2的第二端连接所述第二接地电阻Rd2的第一端和所述第一运算放大器的反相输入端，所述第二接地电阻Rd2的第二端接地。

本申请实施例中，第三运算放大器U3、第二反馈电阻Rf2和第二接地电阻Rd2可以实现复合并联放大器20的外部增益闭环调节。第三运算放大器U3作为隔离，可以减少复合并联放大器20输出电流的分流。

可选的，如图2所示，所述N个平衡电阻的第二端连接采样电阻Rs1的第一端，所述采样电阻Rs1的第二端连接负载Z1的第一端，所述负载Z1的第二端接地。负载Z1可以为电阻、电感或电阻加电感的组合(比如，至少一个电阻和至少一个电感的并联或者串联)。

可选的，在一个可能的实施例中，如图2所示，所述有源低通滤波器30包括第四运算放大器U4和第二低通滤波器LPF2；所述第二低通滤波器LPF2的输入端连接所述采样电阻Rs1的第二端，所述第二低通滤波器LPF2的第一输出端连接所述第四运算放大器U4的同相输入端，所述第二低通滤波器LPF2的第二输出端连接所述第四运算放大器U4的反相输入端，所述第四运算放大器U4的反相输入端连接所述第四运算放大器U4的输出端。

可选的，在另一个可能的实施例中，如图3所示，所述有源低通滤波器30包括第四运算放大器U4和第二低通滤波器LPF2；所述第二低通滤波器LPF2的第一输入端连接所述采样电阻的第一端，所述第二低通滤波器LPF2的第二输入端连接所述采样电阻Rs1的第二端，所述第二低通滤波器LPF2的第一输出端连接所述第四运算放大器U4的同相输入端，所述第二低通滤波器LPF2的第二输出端连接所述第四运算放大器U4的反相输入端，所述第四运算放大器U4的反相输入端连接所述第四运算放大器U4的输出端。

图3的采样电阻Rs1的两端(采样电阻Rs1的第一端和第二端)可以作为第二低通滤波器LPF2的双信号输入，有源低通滤波器30可以实现带增益调节的有源滤波器的功能，可以降低平衡电阻对输出电流的影响，提高复合并联放大器20的输出电流的精度。

可选的，在另一个可能的实施例中，如图4所示，所述N个平衡电阻的第二端连接负载Z1的第一端，所述负载Z1的第二端连接采样电阻Rs1的第一端，所述采样电阻Rs1的第二端接地。

可选的，如图4所示，所述有源低通滤波器30包括第四运算放大器U4和第二低通滤波器LPF2；所述第二低通滤波器LPF2的输入端连接所述采样电阻Rs1的第一端，所述第二低通滤波器LPF2的第一输出端连接所述第四运算放大器U4的同相输入端，所述第二低通滤波器LPF2的第二输出端连接所述第四运算放大器U4的反相输入端，所述第四运算放大器U4的反相输入端连接所述第四运算放大器U4的输出端。

可选的，如图2～图4所示，所述电压控制电流源100还包括采样反馈处理电路40，所述采样反馈处理电路40包括第三电阻R3和第四电阻R4；所述第三电阻R3的第一端连接第一低通滤波器LPF1的输出端，所述第三电阻R3的第二端连接所述第一级放大模块21的输入端和所述第四电阻R4的第一端，所述第四电阻R4的第二端连接所述第四运算放大器U4的输出端。

其中，所述第三电阻R3与所述第四电阻R4的比值等于所述第二接地电阻Rd2与所述第二反馈电阻Rf2的比值。

本申请实施例中，图1至图4中的有源低通滤波器30可以选择Sallen-Key结构。

图1至图4中的Vin是输入电压放大器10的第一输入电压信号，V_S1是电压放大器10输出的放大后的电压信号，V_S2是有源低通滤波器30输出的电压反馈信号，Vin1是输入第一级放大模块21的第二输入电压信号。Vin2是第一级放大模块21输出的电压信号，也是输入第二级放大模块22的电压信号。第二级放大模块22可以将输入的电压信号转化为电流信号I_SO输出，电流信号I_SO经过采样电阻Rs1后变为输出电流I_out。

图2至图4中的Vcc是运算放大器的正电源电压，Vee是运算放大器的负电源电压，比如，Vcc可以是15伏特(V)，Vee可以是-15V。

图2至图4中的R3、R4、Rf2、Rd2都为精密电阻，其值远大于采样电阻Rs1。

本申请实施例中，图1至图4中的运算放大器，可以选择较高的转换速率和较好的大信号带宽的运算放大器。

本申请实施例中，图1至图4中的有源低通滤波器30的-3dB的带宽为f1。其中，-3dB的带宽指的是信号的幅度-频率的增益曲线上幅度降低了3dB对应的频点。复合并联放大器20的-3dB的带宽为f0。可以设置f0＜f1＜2*f0，对于有源低通滤波器30，在小于f1的频段，衰减很小，可以使得在f0频点，对信号衰减尽可能小，在2倍f0频点处，对信号衰减尽可能大。可以确保在工作频带内(小于f0的频段)信号没变化，从二倍频带外开始衰减。

本申请实施例中，输出电流I_out的计算公式为：

I_out＝Vin*Av1/{K*[(Ro/N)+Rs1]}；

其中，AV1＝(1+Rf1/Rd1)，Ro为平衡电阻的阻值，这里默认N个平衡电阻(如图2～图4所示的Ro1、Ro2、…RoN)的阻值相同，Ro＝Ro1＝Ro2＝…＝RoN。

本申请实施例中，在比例系数K、Ro、Rs1、N和Av1为固定值时候，输出电流I_out和输入电压Vin为线性关系，实现了电压控制电流源。

本申请实施例中，输出电流的I_out的最大误差为：

I_out_err＝Z1*2*det(K)/[(Ro*N+Rs1)*K*(K+1)]；

其中，R3/R4＝Rd2/Rf2＝K；Det(K)的为电阻的匹配误差范围比值，完全匹配时候det(K)＝1。Z1为负载的阻值。电阻由于制造工艺、温漂等原因，可能会存在一定的误差，可能会导致det(K)>1。

上述公式中的“*”代表乘号。

本申请实施例中，图1至图4中，用于供电的直流稳压电源，通常在12V—18V之间。比如Vcc可以为+15.0V的直流电压，Vee为-15.0V的直流电压，Vcc和Vee的绝对值误差可以控制在10mV，如果正负电源电压存在较大的误差，会影响输出的静态直流偏置，直流稳压电源的最大输出电流可达5A，直流稳压电源的噪声可以设置的尽可能小一些，比如通常小于1mVpp。mVpp指的是毫伏峰峰值。

对于电压放大器10而言，第一运算放大器U1可以选择低噪声运算放大器，比如可以选择型号为LT1227，构成一个电压放大器，放大倍数Av1＝1+(Rf1/Rd1)，这里方便计算取10倍。LT1227的最大转换速率(SR)为1100V/uS，小信号带宽为140MHz，大信号带宽为14MHz。当要求转换速率不太敏感时候，可以使用LT1225、LT1222替代LT1227。第一运算放大器U1带有输出失调电压(Vos)的可调电阻，调整可调电阻使输出失调电压尽可能的小。大信号的带宽和转换速率相关，通常情况下，U1的大信号带宽FPBW＝SR/(2π*Vp)，Vp为大信号的输出电压峰值，接近电源电压的值。比如用的器件电压为15V，小信号带宽指常规信号，即，通常用的增益带宽(GWB)是小信号带宽，比如10mV或1V是小信号，大信号比如13V。

复合并联放大器20，可以实现电压和电流的转换，可以将输入的电压Vin1转换为输出电流I_out。

其中，第二运算放大器U2可以选择型号为LT1363；并联的N个运算放大器可以选择型号均为LT1210；平衡电阻Ro1、Ro2、…RoN，均可以选择为SMP_R001，其参数为：最大功率为3W的电阻，阻值为0.01欧姆，1％精度，低温漂。LT1363的转换速率为1000V/us，小信号带宽为70MHz，大信号带宽为13MHz；反馈电容C1连接第二运算放大器U2的反相端和输出端，构成负反馈，用来对高频段的信号做补偿，C1影响第二运算放大器U2的工作频率的上限，也影响输入第二运算放大器U2的方波电压信号的上升时间和振铃(波形失真)，C1可以选择为13pF。LT1210的转换速率为900V/uS，小信号带宽为35MHz，最大输出电流为2A。

第二运算放大器U2的输出，与N个运算放大器的同相端连接一起，N个运算放大器可以构成一个电压跟随器，N个运算放大器的输出分别接均衡电阻Ro1、Ro2、…RoN，通常情况下，Ro1＝Ro2＝Ro3＝Ro，Ro小于Rs1。Rs1为SMS-R050，其参数为：5W电阻，阻值为0.5欧姆，1％精度，低温漂；Rs1后面为输出电流I_out，接负载Z1，这里负载Z1可以为0.65欧姆。

本申请实施例的运算放大器可以是电压型运算放大器，也可以是电流型运算放大器。对于电压型运算放大器的电压跟随器，输出端与反相输入端直接连接；对于电流型运算放大器的电压跟随器，输出端和反相输入端，中间串联一个限流电阻(图中没有标注)。

第三运算放大器U3可以构成的电压跟随器，作为隔离，第三运算放大器U3作为隔离，可以减少复合并联放大器20输出电流的分流。Rf2和Rd2的值，可以进行复合放大器的增益调整。第三运算放大器U3的型号可以是LT1363。

第四运算放大器U4的型号可以是LT1363，LPF2为低通滤波器。LPF2和第四运算放大器U4构成有源低通滤波器30，拓扑结构可以选择Sallen-Key结构，第四运算放大器U4的带宽(信号幅度降低3dB的频点，也可以称为-3dB带宽)可以选择为13Mhz。

请参阅图5，图5是本申请实施例，提供的一种有源低通滤波器的具体结构示意图，如图5所示，该有源低通滤波器30可以包括第四运算放大器U4和第二低通滤波器LPF2，第二低通滤波器LPF2可以包括第五电阻R5、第六电阻R6、第二电容C2和第三电容C3。第四运算放大器U4的输出端连接第四运算放大器U4的反相输入端和第三电容C3的第二端，第四运算放大器U4的同相输入端连接第五电阻R5的第一端和第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端接地，第五电阻R5的第二端连接第六电阻R6的第一端和第三电容C3的第一端，第六电阻R6的第二端为第二低通滤波器LPF2的输入端。

图2和图4所示的有源低通滤波器可以采用图5的有源低通滤波器的具体结构。

请参阅图6，图6是本申请实施例，提供的另一种有源低通滤波器的具体结构示意图，如图6所示，该有源低通滤波器30可以包括第四运算放大器U4和第二低通滤波器LPF2，第二低通滤波器LPF2可以包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6和第七电容C7。第四运算放大器U4的输出端连接第十电阻R10的第二端、第五电容C5的第二端和第七电容C7的第一端，第四运算放大器U4的同相输入端连接第七电阻R7的第一端、第四电容C4的第一端和第八电阻R8的第一端，第七电阻R7的第二端和第四电容C4的第二端接地，第八电阻R8的第二端连接第五电容C5的第一端和第九电阻R9的第一端，第九电阻R9的第二端为第二低通滤波器LPF2的第一输入端，第四运算放大器U4的反相输入端连接第十电阻R10的第一端、第六电容C6的第一端和第十一电阻R11的第一端，第六电容C6的第二端接地，第十一电阻R11的第二端连接第七电容C7的第二端和第十二电阻R12的第一端，第十二电阻R12的第二端为第二低通滤波器LPF2的第二输入端。

图3所示的有源低通滤波器可以采用图6的有源低通滤波器的具体结构。

采样电阻Rs1用来检测复合并联放大器20的输出电流I_out，并经过电阻R4反馈到信号输入端Vin1，来调整复合并联放大器20的输入电压信号的大小。

其中，R3、R4、Rf2、Rd2为高精度电阻，满足R3/R4＝Rd2/Rf2＝K，比例系数相同，误差尽可能的减少。R3、R4、Rf2、Rd2可以选择LT5400BCMS8E-6，精度为0.01％，电阻的温度漂移很低。K＝5，R3＝Rd2＝5K欧姆，R4＝Rf2＝1K欧姆。R3、R4、Rf2、Rd2的值，都远大于Rs1。

复合并联放大器20的-3dB对应的频点f0可以是9MHz。

本申请实施例的电压控制电流源，在工作频率f0之下，不考虑信号衰减和相位变化，按照理想运算放大器，给出计算输出电流和输入电压的公式为

I_out＝Vin*Av1/{K*[(Ro/N)+Rs1]}

AV1＝(1+Rf1/Rd1)

比例系数K为定值，N为复合并联放大器20中并联的运算放大器的个数，Ro为定值，Rs1为采样电阻，为定值，输出的电流和输入的电压成线性关系，构成了电压控制电流源，与负载无关。

考虑到运算放大器为非理想的状态，有失调电压和失调电流，最终给输出电流的造成误差。输出电流I_out的最大误差为：

I_out_err＝Z1*2*det(K)/[(Ro*N+Rs1)*K*(K+1)]

从上面公式看出，复合并联运算放大器的级数，N增大时候，输出电流增大，但输出电流的误差也增大，比如，N＝3时，选择为3级并联。Ro1、Ro2、Ro3的电阻为Ro，当三者不匹配时候，影响输出电流的精度。输出电流的误差和负载有关，负载小范围的变化，则输出电流的误差较小。

从电流输出公式和电流误差输出公式中，K增大时候，输出电流减少，但最大输出误差电流的减小，比如，K＝5。Det(K)的为电阻的匹配误差范围比值，完全匹配时候det(K)＝1。

LT1210选用的是TO-220，需要接到大的散热片上，散热片再接水冷装置，用来降低温度，确保工作的热平衡状态，降低温度对输出电流的影响。

本申请实施例的负载为0.65欧姆时，复合并联放大器20在直流到5MHz的正弦波输入的情况下，可以实现最大+/-5A的峰值输出；在13MHz的正弦波输入的情况下，也可以工作但输出的电流幅度降低。如果要求其它的负载及其最驱动大电流，按照上述方法，参考I_out和I_out_err的输出公式，计算是否满足要求，根据需要来优化电阻(R3、R4、Rd2、Rf2、Ro、Rs1)的取值、比例系数K和N。

本申请实施例中，R3、R4、Rd2、Rf2的值，R3＝Rd2＝5K欧姆，R4＝Rf2＝1K欧姆；Ro为0.01欧姆，Rs1为0.5欧姆；Rf1为909欧姆，Rd1为100欧姆；Z1为0.65欧姆，复合并联放大器20最大输出为6A。

AV1＝(1+Rf1/Rd1)＝1+909/100＝10.09；

I_out＝Vin*Av1/{K*[(Ro/N)+Rs1]}＝Vin*10.09/{5*[(0.01/3)+0.5]}≈4*Vin；

I_out_err＝Z1*2*det(K)/[(Ro*N+Rs1)*K*(K+1)]＝0.65*2*1/[(0.01*3+0.5)*5*(5+1)]≈0.086；

当Vin输入1.5Vpp时候，最大输出为6A，最大误差电流为0.086A，最大误差为1.4％。

本申请实施例的电路的模拟仿真，可以使用ADI的LTSpice仿真工具，仿真完成后，搭建了电路，进行了测试，并根据用户的情况，特别是低的负载阻抗进行修订，优化了散热结构，添加了水冷装置，完善性能，实现了直流到5MHz正弦波的高精度输出和+/-5A的峰值电流，在13MHz正弦波依然能够工作。对1MHz的方波，实现了电流转换速度高达10A/100ns，方波的上升时间最快可以达到10ns。

下面的图7～图11展示了本申请实施例的电压控制电流源的测试平台以及在不同电压波形输入的情况下输出负载的电压波形测试图。

请参阅图7，图7是本申请实施例提供的一种电压控制电流源的测试平台的示意图。

请参阅图8，图8是本申请实施例提供的一种第一输入电压信号为10MHz正弦波时的负载电压测试图。

请参阅图9，图9是本申请实施例提供的一种第一输入电压信号为1MHz方波时的负载电压测试图。

请参阅图10，图10是本申请实施例提供的一种第一输入电压信号为脉冲波时的负载电压测试图。

请参阅图11，图11是本申请实施例提供的一种第一输入电压信号为锯齿波时的负载电压测试图。

本申请实施例的电压控制电流源可以实现直流到数兆赫兹的宽频带的任意波形电压控制的双极性电流源，实现峰值了正负数安培电流输出和快速的电流转换时间，并降低了大电流输出时高频杂散的问题。双极性指的是电流源可以输出正电流，也可以输出负电流。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

Claims (14)

1.一种电压控制电流源，其特征在于，包括电压放大器、复合并联放大器和有源低通滤波器；

所述电压放大器，用于将第一输入电压信号放大，输出放大后的电压信号；

所述复合并联放大器，用于将第二输入电压信号转换为电流信号并输出，所述复合并联放大器用于实现宽频段大电流双极性输出；所述第二输入电压信号根据所述有源低通滤波器生成的电压反馈信号和所述电压放大器输出的放大后的电压信号得到；

所述有源低通滤波器，用于检测所述复合并联放大器输出的电流信号，将所述复合并联放大器输出的电流信号中的高频杂波滤除，并根据滤除高频杂波后的电流信号生成所述电压反馈信号。

2.根据权利要求1所述的电压控制电流源，其特征在于，所述电压放大器包括第一运算放大器、第一低通滤波器、第一反馈电阻和第一接地电阻；所述第一运算放大器的同相输入端连接所述第一输入电压信号，所述第一运算放大器的输出端连接所述第一反馈电阻的第一端和所述第一低通滤波器的输入端，所述第一反馈电阻的第二端连接第一接地电阻的第一端和所述第一运算放大器的反相输入端，所述第一接地电阻的第二端接地。

3.根据权利要求1或2所述的电压控制电流源，其特征在于，所述复合并联放大器包括第一级放大模块和第二级放大模块；

所述第二级放大模块包括N个运算放大器和N个平衡电阻；N个运算放大器的输出端与所述N个平衡电阻的第一端对应连接，所述N个平衡电阻的第二端连接；

所述N个运算放大器的所有同相输入端相连，所述N个运算放大器的所有同相输入端连接所述第一级放大模块的输出端，所述N个运算放大器的反相输入端连接各自的输出端，构成同相跟随器；或者，所述N个运算放大器的所有反相输入端相连，所述N个运算放大器的所有反相输入端通过电阻连接所述第一级放大模块的输出端，所述N个运算放大器的同相输入端通过电阻接地，构成反相跟随器。

4.根据权利要求3所述的电压控制电流源，其特征在于，所述N个平衡电阻的阻值相同。

5.根据权利要求3所述的电压控制电流源，其特征在于，所述第一级放大模块包括第二运算放大器；所述第二运算放大器的输出端连接所述第一级放大模块的输出端和所述第二运算放大器的反相输入端。

6.根据权利要求3所述的电压控制电流源，其特征在于，所述电压控制电流源还包括第三运算放大器、第二反馈电阻和第二接地电阻，所述第三运算放大器的同相输入端连接所述N个运算放大器的其中一个运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的反相输入端连接所述第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的输出端连接所述第二反馈电阻的第一端，所述第二反馈电阻的第二端连接所述第二接地电阻的第一端和所述第一运算放大器的反相输入端，所述第二接地电阻的第二端接地。

7.根据权利要求6所述的电压控制电流源，其特征在于，所述N个平衡电阻的第二端连接采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端连接负载的第一端，所述负载的第二端接地。

8.根据权利要求6所述的电压控制电流源，其特征在于，所述N个平衡电阻的第二端连接负载的第一端，所述负载的第二端连接采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端接地。

9.根据权利要求7所述的电压控制电流源，其特征在于，所述有源第二低通滤波器包括第四运算放大器和第二低通滤波器；所述第二低通滤波器的输入端连接所述采样电阻的第二端，所述第二低通滤波器的第一输出端连接所述第四运算放大器的同相输入端，所述第二低通滤波器的第二输出端连接所述第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的反相输入端连接所述第四运算放大器的输出端。

10.根据权利要求7所述的电压控制电流源，其特征在于，所述有源第二低通滤波器包括第四运算放大器和第二低通滤波器；所述第二低通滤波器的第一输入端连接所述采样电阻的第一端，所述第二低通滤波器的第二输入端连接所述采样电阻的第二端，所述第二低通滤波器的第一输出端连接所述第四运算放大器的同相输入端，所述第二低通滤波器的第二输出端连接所述第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的反相输入端连接所述第四运算放大器的输出端。

11.根据权利要求8所述的电压控制电流源，其特征在于，所述有源第二低通滤波器包括第四运算放大器和第二低通滤波器；所述第二低通滤波器的输入端连接所述采样电阻的第一端，所述第二低通滤波器的第一输出端连接所述第四运算放大器的同相输入端，所述第二低通滤波器的第二输出端连接所述第四运算放大器的反相输入端，所述第四运算放大器的反相输入端连接所述第四运算放大器的输出端。

12.根据权利要求9～11任一项所述的电压控制电流源，其特征在于，所述电压控制电流源还包括采样反馈处理电路，所述采样反馈处理电路包括第三电阻和第四电阻；所述第三电阻的第一端连接第一低通滤波器的输出端，所述第三电阻的第二端连接所述第一级放大模块的输入端和所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述第四运算放大器的输出端。

13.根据权利要求12所述的电压控制电流源，其特征在于，所述第三电阻与所述第四电阻的比值等于所述第二接地电阻与所述第二反馈电阻的比值。

14.根据权利要求13所述的电压控制电流源，其特征在于，

所述输出电流的计算公式为：

I_out＝Vin*Av1/{K*[(Ro/N)+Rs1]}；

其中，AV1＝(1+Rf1/Rd1)，I_out为所述输出电流，Vin为所述第一输入电压信号的电压值，Ro为所述N个平衡电阻的阻值相同时其中任一个平衡电阻的阻值，Rs1为所述采样电阻的阻值，R3/R4＝Rd2/Rf2＝K，R3为第三电阻的阻值，R4为第四电阻的阻值，Rd2为第二接地电阻的阻值，Rf2为第二反馈电阻的阻值。

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