改进型 Howland 电流泵配置分析
摘要
改进型 Howland 电流泵是这样的一种电路：该电路使用差分放大器在并联电阻器上施加电压，从而产生能够驱动大范围负载电阻的压控电流源。很多应用要求电流源能够支持双极性（拉电流或灌电流）操作，在这些应用中，该设计的这种多功能性非常有用。这种多功能性体现在能够对设计进行小幅调整，从而改善电路的整体性能。本文将分析一些经过改进的 Howland 电流泵配置，并提供有关如何提高其性能的建议。
这些设计的一个共同目标是打造一个高输出阻抗电流源，该电流源既要能提供约 25mA 的拉电流或灌电流，又要采用改进型 Howland 电流泵拓扑。本文对四种不同的配置进行了分析，并讨论了每种配置的一些优缺点。根据设计要求，对于特定应用，某种配置可能更加适合，优于另一种。在改进型 Howland 电流泵电路中驱动无功负载时，请采取预防措施。另外，一些负载会导致电路因为相位裕度不足而变得不稳定。本文仅讨论电阻负载。
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1 分立式改进型 Howland 电流泵 – 设计 1
#GUID-A2D32AA4-A90E-49BA-8E40-6708748252A6 展示了改进型 Howland 电流泵的基本配置，其中使用了一个运算放大器、五个分立式电阻器和一个电阻负载 Rload。流经负载的电流 (Iload) 可以通过#GUID-573B0A03-C43B-458A-ADCA-DFD01C422A3D 计算得出。
在理想的改进型 Howland 电流泵中，电阻器 R4 有时设为等于 R2 - Rs，这会稍稍改变正环路中的反馈，从而产生预期的电流值。考虑到可供选择的标准电阻器值及其容差，此设计的实用性有限。如需更加详细地了解改进型 Howland 电流泵理想设计的功能，可访问GUID-2CBE2D35-D257-4892-8B5D-488525DB7832.html#GUID-06D6365E-3B22-4914-AE24-BC1D4DB6C2F2一节中提供的链接。#GUID-E80380A8-B890-4499-A613-009576A1BE7C 展示了设计 1 的示例，以及使用经修改的 R4 电阻器时对应的结果。该电流专为采用理想器件（通过 5V 输入电压差提供 10mA 输出电流）而设计。
优势：该配置的一项优势是，能够自由地选择增益值 (G) 并最终设计为通过改变 Vshunt 电压来提供输出裕量（最大输出电压摆幅或依从范围）。这是因为该电路中的所有电阻器都是以分立形式选择的。另一项优势是能够根据应用的具体设计要求（例如尺寸、功率和电源电压）来选择适当的运算放大器。该设计的最后一项优势是只需一个运算放大器。
劣势：该配置的一个缺点是 Ifeedback 电流会影响 Iload 电流而产生误差。理想的电流源具有无穷大的输出阻抗；不过，该配置输出阻抗有限，由两个串联的反馈电阻器 (R3+R4) 确定。这会导致 Iload 中存在显著的误差，当设计中不使用经修改的 R4 电阻器时，该误差会更为明显。
为了更大限度地减少 Ifeedback 导致的误差，应当为反馈路径选择值更大的电阻器，而这将导致电流源的输出阻抗增加。这样的代价是更大的电阻器值会导致更多的热噪声。大电阻和电路中的寄生电容可能导致的带宽限制和稳定性问题也会变得更为普遍。若要详细了解噪声和稳定性，可以访问GUID-2CBE2D35-D257-4892-8B5D-488525DB7832.html#GUID-06D6365E-3B22-4914-AE24-BC1D4DB6C2F2一节中提供的 TI 高精度实验室系列视频链接。
该配置的另一个缺点来自于反馈网络中以分立形式选择的电阻器。使用具有 0.1% 容差的电阻器进行分立构建的情况最差，对应的 CMRR 值约为 60dB，这对于精密应用来说过低。有关匹配电阻器重要性的更多信息，可以访问GUID-2CBE2D35-D257-4892-8B5D-488525DB7832.html#GUID-06D6365E-3B22-4914-AE24-BC1D4DB6C2F2一节中提供的链接。这种电阻器不匹配还会在设计中导致增益误差，进而增加总体误差。对于该配置的分立式版本，最后一个注意事项是考虑差分放大器使用外部电阻器时所需的 PC 布板空间。
2 具有缓冲器的分立式改进型 Howland 电流泵 – 设计 2
#GUID-9C0B6934-B7E7-4760-BE0F-E165360BB767 显示了一种类似的配置——一种采用两个运算放大器的改进型 Howland 电流泵。缓冲器具有高输入阻抗，这会将高输出阻抗引入电流源。请注意，添加缓冲器后，电路设计人员不应再根据 Rs 的值修改 R4。Iload 现在可以通过下文提供的#GUID-573B0A03-C43B-458A-ADCA-DFD01C422A3D 计算得出。
优势：该配置与GUID-E6D07E17-1EC8-4748-A33B-409C33FCC9B6.html#GUID-119B9B14-A9B3-417B-B40C-23ABEFAFD8F5 中所示的无缓冲配置具备同样的优势；不过，它还增添了一项优势，那就是添加缓冲器后实际上可以消除 Ifeedback 电流，从而更大限度地减少误差。因此，第二个运算放大器使得能够为反馈网络选择值更小的电阻器。这让电路设计人员可以更大限度地减少高阻值电阻器造成的热噪声，同时还能更大限度地减少电路中的任何稳定性和带宽问题。
#GUID-997AC886-218F-4C16-B939-8734399AF37E 展示了相同的 10mA 电流源；缓冲器实际上消除了 Ifeedback 电流。
劣势：与具有一个运算放大器的设计相似，该配置存在一个由不匹配的分立式电阻器带来的缺点。由于增加了一个运算放大器，电路的整体尺寸有所增加；对于空间受限的设计，这可能是一个缺点。幸运的是，很多精密运算放大器都提供双通道配置，这几乎不会导致电路尺寸或成本增加。