（电路设计方案）Howland电流泵电路.docx

简单的电流源并不适合多变的负载，因为流经负载的电流会随着阻值的改变 而变化。这一问题的解决方法就是恒流源，比如HOWland电流泵电路。Howland电流泵电路于1962年由麻省理工的Bradford Howland教授发明。 它由一个运算放大器和平衡后的电阻桥组成，哪怕负载阻值改变也能维持恒定的 电流值。接下来我们来理解它的工作原理。基本Howland电流泵电路图我们运用基尔霍夫电流定律和欧姆定律，我们可以看出输出电流等于输入电 流加上R4上的电流。io = il +i2io = (VI - VLR3) + (VA - VLR4)(等式 1)RI、R2和运放组成了一个同相放大器，输入电压为负载电压VLo因此可 得 VA=(I+R2R1) VL (等式 2)将等式2中的VA代入等式1可得io = (VI - VLR3) + (1 + R2 / Rl) VL -VL/R4)现在通过将io=AVl-VLRo放到等式里求解，其中A=1R1因此等效电阻 Ro=R4(R4R3)-(R2Rl)因此为了保证输出电流的恒定且与负载阻值无关，我们需要实现一个平衡的 电阻桥，即R4R3=R2R1Howland电流泵电路的仿真Howland电路是一个实现了电流恒定的理想电流源。下面的对比图你可以看 出无论负载R5的值如何改变，通过它的电流都为恒定值。所需元器件运算放大器-LM741电阻-3.9kQ2+lkQ39V电源运算放大器LM741LM741运算放大器是一个直流耦合的高增益放大器，一共有8个引脚。这 里的运算放大器会作为比较器来对比两个型号，同相信号和反向信号。引脚2 为反向输入引脚，引脚3为同相输入引脚。输出引脚为引脚6。该运放的主要作用是在多种电路中进行数学运算。当同相引脚（+）的电压高于反向引脚（-）时，比较器输出为高，反之则为 低。LM741的引脚图NAB Package 8-Pin CDIP or PDIP Top ViewHowland电流泵的硬件测试根据欧姆定律，改变电阻值也会改变两端的电压值。但在理想源的作用下能 保证电流值的恒定。下面是Howland电流泵电路的硬件测试，这里使用的是稳 压9V电源（也可以使用9V电池）。我们选用的两个负载阻值为2k Q和3.9k Q , 同时用万用表测量两端的电流。如图所示。3.9k Q负载2kQ负载这些电阻也可以替换为某些有源负载比如电机或LED等。Howland电流源及设计实例（一）概述本文主要提供了一种Howland电流源的电路图，并做了简要的公式推导以 及实例设计。（二）详解HowLand电流源由麻省理工学院的BradHowLand发明。一种形式的HowLand电流源电路如下图：Howland电流源电路Howland诺顿等效电路模型根据理想运放“虚短”和”虚断”的概念，得VL= V+=V-Il = 12,13 = 14由基尔霍夫电流定律(KCL)可得，(VI-VL)R3 = (VL-Vo)R4 (式1) (V2-VL)R1 + (Vo-VL)R2 = VL/RL (式 2)联立式 1、式 2,可得到：IL= VL/RL=(V2-VL)R1 + (VL-Vl)*R3*R4R2=(V2-VL)R1 + (VL-Vl)*R3*R4R2=(V2-VL)*R2*R3(Rl*R2*R3) + (VL-Vl)*R1*R4(R1*R2*R3)二(V2-VL)*R2*R3 + (VL-VI)*R1*R4)(R1*R2*R3)(式 3)我们知道，只有当R。趋于时，负载电流IL才会保持不变。观察式3,令R2*R3=R1*R4 (式 4)此时，RK R2、R3、R4构成一个平衡电桥。则式3,可简化为：IL= (V2-V1)R1 (式 5)此时负载IL与负载RL无关。通常我们把Vl连接到GND,则IL = V2/R1 (式 6)由VL=VO*Rl(Rl+R2)=Vo*R3(R3+R4),假设对称输出饱和，则电压柔量是 VL<RPVsat(Rl+R2)(式7)为了扩展柔量，总是要将R2保持比Rl小得多， 比如 R2 = 0.1 *Rlo(三)实例实际应用时，一定要根据运放的电压范围来选择支路电阻大小，若电阻流过 电流的压降大于运放电源范围，则电路无实际意义。利用一个741运算放大器由 +/-15V的稳压电源供电，设计一个ImA的直流源，它有IOV的电压柔量。题解, 设V2=+15V,由式6得Rl = 15V / ImA = 15k o通过式7,要求 1OV<13*R1(R1+R2),也即 R2=O.3R1。取 Rl=R3=15kQ( 1%)和 R2=R4=0.3*15k =4.5kQ (电阻选择E24系列，用4.42kQ, l%)o电路及诺顿等效电路如下图：诺顿等效电路（四）术语1 .基尔霍夫电流定律（KCL ）在电路中任一时刻，流入任一节点的支路电 流等于流出该节点的支路电流。也可表述为，在电路中任一时刻，流入任一节点 的支路电流与流出该节点的支路电流代数和为零。2 .电压柔量 是负载电压VL的可允许值范围，在运放电路部分任何饱和现 象发生之前，该电路在这个电压范围内，仍能正常工作。