改进型Howland交流电路

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一、前言

  今天上午测试了基本 Howland 交流恒流电路的特性，对应的输出内阻大约为 500k欧姆左右，为了进一步提高恒流特性，下面通过在电路中加入可变电阻器，提高电路中电阻网络的匹配精度，进而使得电路的恒流特性，也就是对应的等效内阻大大提高。

二、电路设计

  手边有这种5k欧姆多圈可调电阻，这些电位器从别的电路上拆卸下来，不知道它封装，测量得到它三个管脚之间的间距。使用它作为 Howland 电路调整电位器。

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  在原来电路基础上，增加调整电位器，通过它来调整同相和反向两组电阻比值。铺设电路板，一分钟之后得到实验电路板。电路板制作的非常完美。下面进行焊接测试。看看性能是否得到提高。

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▲ 图1.2.1 测试电路原理图

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▲ 图1.2.2 PCB电路图
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  焊接电路板，清洗之后进行调试。下面测试电位器在左右两个极端对于输出特性的 影响。

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  在QR10作为负载情况下，10k 欧姆对应的输入和输出电压波形。它们幅值比值大约为 2:1

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  。将电位器调整到左边、中间和右边，分别测量在不同的负载电阻下输出电压的变化。

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  将电位器打到最左边，此时，对应的负载电压电阻曲线更加弯曲了，对应的恒流源内阻更小。将电位器打到最右边，负载电压电流曲线反过来了，似乎等效内阻是一个负的数值。曲线后半部分有可能是输出信号失真引起的。在负载小于 25k 欧姆之前还是处于无失真状态。将电位器设置在中间位置，此时负载电压电阻关系更接近于一个线性关系。由此可见，电位器存在一个最佳的位置，可以使得负载电阻电压关系最接近于一个直线，对应恒流源内阻达到最大。不过问题来了，如何来调整电位器，使得我们可以找到这个最佳位置呢？

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▲ 图1.2.3 不同电阻对应的电压（左边）

▲ 图1.2.4 负载电压和电阻，电位器鱼仔最右边

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▲ 图1.2.5 负载电压和电阻关系：电位器在中间位置

6 W% C2 u4 V* g; p▲ 图1.2.6 电位器在不同位置对于负载电压电流的影响

  将输入信号设置为 峰峰值为 5V的正弦信号，设置负载电阻为20k欧姆，理论上，可以计算出负载电阻上的交流电压，电压值为 1.7678V。调整电位器，使得负载电压为 1.7678V左右。重新测量负载电压与电阻曲线，可以看出，此时，电压电阻线性非常好。这说明经过调整之后，大大提高了输出的恒流特性。

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▲ 图1.2.7 校正后的负载电压与电阻

  ● 内阻模型拟合结果：
# x7 t) f7 l# ~( G   电流：88.67微安
   R0：8.667e12

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  仍然使用电流源并联内阻模型来对测量数据进行拟合，拟合出电流源的内阻为 8.867乘以10的12次方欧姆，这非常接近于理想电流源了。

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) m. w! t- H- q% u. ^※总  结 ※
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  本文测试了改进型 Howland 交流恒流源电路，通过 引入电位器对电路中电阻比值进行调整。增加电路输出恒流特性，调整时，设置负载电阻为 20k欧姆，输入一个峰峰值为 5V的 交流信号，调节电位器，使得负载电阻上的电压也是 峰峰值为5V，对应 1.767V，此时调整结束。重新测量不同负载电阻下输出电压。负载电阻范围小于 25k欧姆，通过电压电阻曲线 可以计算出恒流源输出内阻接近 10 的13次方，这已经非常接近于理想恒流源了。

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参考资料

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Comprehension Study of Howloand Pump Circuit: https://www.ti.com/lit/an/snoa474a/snoa474a.pdf