（电路设计方案）Howland电流泵电路.docx

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1、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HoWhmd电流泵电路。Howland电流泵电路于1962年由麻省理工的BradfordHowland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=(Vl-VLR3)+(VA-VL/R4)(等式1)RlR2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WVA=(1+R2

2、R1)VL(等式2)将等式2中的VA代入等式1可得io=(VI-VLR3)+(1+R2R1)VL-VL/R4)现在通过将io=AVl-VLZRo放到等式里求解，其中A=IZRl因此等效电阻Ro=R4(R4R3)-(R2R1)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LM7411.M741运算放大器是一个直流耦合的高

3、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（一）时，比较器输出为高，反之则为低。1.M741的引脚图OFFSET NULL- 1INVERTING INPUT- 27NCV*OUTPUTOFFSCT NULLNABPackage8-PinCDIPorPDIPTopViewNON-INVERTING-3INPUTV-4Howland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

4、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2kQ和3.9kQ,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HOWkmd诺顿等效电路模型根据理想运放“虚短”和“虚断”的概念，

5、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-VI)*R3*R4R2=(V2-VL)*R2*R3(R1*R2*R3)+(VL-VI)*R1*R4(R1*R2*R3)二(V2-VL)*R2*R3+(VL-V1)*R1*R4)(R1*R2*R3)(式3)我们知道，只有当R。趋于8时，负载电流IL才会保持不变。观察式3,令R2*R3=R1*R4(式4

6、)此时，Rl、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IVLIWRI*Vsat(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*Rl0(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

7、柔量。题解，设V2=+15V,由式6得Rl=15V/ImA=15ko通过式7,要求1OV13*R1(R1+R2),也即R2=O.3R1。取RI=R3=15kC(1%)和R2=R4=0.3*15k=4.5kC(电阻选择E24系列，用4.42k。，1%)。电路及诺顿等效电路如下图：实例电路诺顿等效电路（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。