上一篇文章介紹了一個(gè)電路，我稱之為雙運(yùn)放電流源（或電流泵）。

這是原理圖：

精密電流泵示意圖。圖片由Analog Devices提供

我展示了此拓?fù)涞腖Tspice實(shí)現(xiàn)，我們查看了基本模擬的結(jié)果。不過，我想了解更多有關(guān)此電路的信息，尤其是因?yàn)樗幻枋鰹?em>精密電流泵。我們真正期望從該電路獲得什么樣的精度？

在本文中，我們將執(zhí)行旨在回答三個(gè)問題的模擬。

1. 理想條件下的輸出電流有多精確？
2. 負(fù)載變化如何影響輸出電流的精度？
3. 當(dāng)考慮電阻容差時(shí)，典型和最壞情況下的精度是多少？

基線精度

這是我們將用于第一次模擬的電路：

施加到差分輸入級(jí)的電壓在 100 ms 間隔內(nèi)從 –250 mV 變?yōu)?250 mV。輸入電壓與輸出電流相關(guān)的公式告訴我們，流過負(fù)載的電流應(yīng)為 V IN /100。

為了查看生成的負(fù)載電流與理論預(yù)測(cè)的匹配程度，我們將繪制模擬負(fù)載電流與數(shù)學(xué)計(jì)算負(fù)載電流之間的差異。

誤差極小，其大小與負(fù)載電流的大小成正比。

負(fù)載調(diào)節(jié)

當(dāng)我們談?wù)撾妷赫{(diào)節(jié)器時(shí)，負(fù)載調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器在負(fù)載電阻變化的情況下保持恒定電壓的能力。我們可以將相同的概念應(yīng)用于電流源：對(duì)于不同的 R LOAD值，電路如何保持指定的輸出電流？

對(duì)于此仿真，我們將提供 250 mV 的固定輸入電壓，并且我們將使用“階躍”指令以 10 Ω 的階躍從 1 Ω 到 1000 Ω 改變負(fù)載。

“測(cè)量”指令允許我們繪制誤差與步進(jìn)參數(shù)（即負(fù)載電阻）的關(guān)系圖，而不是與時(shí)間的關(guān)系圖；這是通過打開錯(cuò)誤日志（View -> SPICE Error Log），右擊并選擇“Plot .step'ed .meas data”來完成的。

對(duì)于更大的負(fù)載電阻，輸出電流誤差確實(shí)會(huì)顯著增加——從大約 50 nA 增加到 800 nA。然而，800 nA 仍然是一個(gè)非常小的誤差。

如果我們用旨在接近真實(shí)運(yùn)算放大器性能的宏模型替換理想運(yùn)算放大器，您認(rèn)為負(fù)載調(diào)節(jié)會(huì)有多大變化？讓我們來看看。

輸出誤差的變化百分比非常相似。在第一次模擬中，誤差在負(fù)載電阻范圍內(nèi)增加了 15.7 倍。在第二個(gè)仿真中，我使用了 LT1001A 的宏模型，它增加了 12.1 倍。

有趣的是，LT1001A 的性能優(yōu)于 LTspice“理想的單極點(diǎn)運(yùn)算放大器”——誤差幅度在整個(gè)范圍內(nèi)要低得多，而且誤差相對(duì)于負(fù)載電阻更穩(wěn)定。我不知道該如何解釋。也許理想的單極運(yùn)算放大器并不像我想象的那么理想。

電阻容差的影響

我們不需要模擬來確定 R1 電阻變化的影響；輸入電壓和輸出電流之間的數(shù)學(xué)關(guān)系讓我們清楚地了解偏離標(biāo)稱值的 R1 值會(huì)引入多少誤差。

此外，應(yīng)用筆記中的電路圖顯示了 R4 與 R2 的比率將如何影響輸出電流，因?yàn)樵摫嚷蕸Q定了 A V，而 I OUT與 V IN乘以A V成正比。

然而，不太清楚的是電阻器之間不完美匹配的影響。電路圖表明R2和R3要匹配，R4和R5要匹配。我們可以通過執(zhí)行蒙特卡羅模擬來研究這一點(diǎn)，其中電阻值在其公差范圍內(nèi)變化。

如果仿真包括大量蒙特卡羅運(yùn)行，則仿真結(jié)果中報(bào)告的最大和最小誤差可以解釋為與電阻容差相關(guān)的最壞情況誤差。

對(duì)于此仿真，我們將 R2 和 R4 固定為 100 kΩ；這防止了 A V的變化。我們將通過對(duì) R3 和 R5 的值應(yīng)用蒙特卡羅函數(shù)來降低電路的匹配。

如“step”SPICE 指令所示，一次仿真包含 100 次運(yùn)行。“mc(100k,0.01)”值指定 100 kΩ 的標(biāo)稱電阻，容差為 1%。

這是 100 次運(yùn)行的輸出電流誤差圖。

平均誤差為 15.6 μA，是預(yù)期 2.5 mA 輸出電流的 0.6%，在最壞情況下，實(shí)際輸出電流與預(yù)期電流的偏差約為 40 μA。

我會(huì)稱之為非常好的精度。讓我們看看當(dāng)我們使用 0.1% 的公差而不是 1% 時(shí)情況如何改善。

現(xiàn)在平均誤差為 1.6 μA，僅為預(yù)期輸出電流的 0.06%，最壞情況下的誤差已降至 4 μA 范圍。

結(jié)論

我們進(jìn)行了 LTspice 仿真，為雙運(yùn)算放大器電流泵的性能提供了寶貴的見解。

1% 的電阻容差，確定輸入增益的電阻器固定在其理論值，可實(shí)現(xiàn)高精度。將 0.1% 的容差應(yīng)用于所有電阻器會(huì)提供良好的性能，并且由于 0.1% 的電阻器很容易買到而且不貴，我同意應(yīng)用筆記作者推薦 0.1% 容差而不是 1% 容差的觀點(diǎn)。