微安級(jí)數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)

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1、微安級(jí)數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)時(shí)間：2010-06-2410：24：14來(lái)源：電子技術(shù)作者：胡波李波羅賢虎吳來(lái)杰徐行中國(guó)地質(zhì)大學(xué)摘要：微安級(jí)恒流源電路在粹密智能儀器和微傳感檢測(cè)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。木文在分析了微安級(jí)數(shù)控恒流源的電路結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，指出了存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)方法，給出了具體的設(shè)計(jì)電路，該設(shè)計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用中有較高的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：微安級(jí)恒流源；閉環(huán)反饋；儀表放人器恒流源在各種測(cè)量電子電路和傳感器電子電路中應(yīng)用廣泛，是開(kāi)關(guān)電源、信號(hào)檢測(cè)和功率放大等場(chǎng)合中不可替代的測(cè)試單元。微安級(jí)數(shù)控恒流源更

2、是廣泛地應(yīng)用于智能儀器和先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)中。與-?般的恒流源電路相比，微安級(jí)恒流源輸出電流小，更易受到電路中紋波和噪聲的影響，在器件選擇和電路設(shè)計(jì)方面尤其要注意高精度和高阻抗。正是由于這些特點(diǎn)，微安級(jí)恒流源的電路設(shè)計(jì)方法與普通的恒流源電路有所區(qū)別。1微安級(jí)數(shù)控恒流源的一般設(shè)計(jì)方法雖然恒流源的電路形式各種各樣，但是其電路結(jié)構(gòu)基本一?樣，都是基于閉環(huán)反饋的思想,反饋的形式主要有晶體管反饋、場(chǎng)效應(yīng)管反饋、并聯(lián)穩(wěn)壓器反饋、運(yùn)算放人器反饋等。數(shù)控恒流源的一般結(jié)構(gòu)松圖如圖1所示，根據(jù)所需的恒流電路的電流值，系統(tǒng)首先通過(guò)微處

3、理器計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電壓值，由DA轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)輸出電壓，經(jīng)過(guò)濾波電路的處理，和誤差放人、功率放大、電流檢測(cè)比較放大以及電壓電流轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，在負(fù)載電阻所在回路輸出恒定的電流。數(shù)控恒流源的?般結(jié)構(gòu)框精密的恒流源電路多是使用運(yùn)算放人器作為負(fù)反饋的謀蕪放人器，以晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管作為功率放大器件，從而形成閉環(huán)反饋電路。微安級(jí)恒流源電路的設(shè)計(jì)也是基于這種閉環(huán)反饋的思想,所不同的是由于在功率放人環(huán)節(jié)使用的晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管都有-數(shù)微安或者數(shù)十微安的漏電流，會(huì)影響電路的精度，遠(yuǎn)超過(guò)微安級(jí)電路所允許的誤差范圍。而一般運(yùn)放的輸出帶載能力

4、都能達(dá)到數(shù)亳安或者數(shù)十亳安，能滿(mǎn)足微安級(jí)怛流源電路所需的輸出要求。因此在微安級(jí)恒流源中無(wú)需采用功率放大器件，而直接使用運(yùn)放向負(fù)載電阻輸岀電流。即運(yùn)放既起到謀旁放人器的作用，又起到功率放人器的作用。如此設(shè)計(jì)不僅能滿(mǎn)足要求，也能減小由于功率放大引起的誤差和功率損耗，提高電路的精度和效率。Vt2典型的微安級(jí)數(shù)控恒流源電路圖2所示為典型的微安級(jí)恒流源電路。DA轉(zhuǎn)換器輸出給定電壓后，經(jīng)R1和C1組成的低通濾波器送入運(yùn)放同相輸入端，運(yùn)放輸出端接負(fù)載，電流采樣電阻R3將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)入運(yùn)放的反向輸入端構(gòu)成負(fù)反饋。

5、圖中R3為采樣電阻，需采用初始棒度高、溫度漂移系數(shù)低的精密電阻。下面舉例說(shuō)明元器件參數(shù)的選擇，如需耍設(shè)計(jì)o?iopA的數(shù)控電流源，所選DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓為2.5V,即DA轉(zhuǎn)換器的最人輸出電壓Vmax為2.5V,在此電路中，應(yīng)該對(duì)應(yīng)最大的輸出電流Imax為iopA,根據(jù)運(yùn)放“虛短虛斷”的原則，出的值應(yīng)由式⑴確定。R3二人nax〃max因此R3應(yīng)取250kQ。2差分電路在微安級(jí)恒流源電路小的應(yīng)用圖2所示的微安級(jí)恒流源電路，簡(jiǎn)單nJ靠，但存在兩個(gè)問(wèn)題。a.運(yùn)放反向輸入端的偏置電流會(huì)影響電路的精度，尤其是對(duì)于微安

6、級(jí)的電路影響很人。因此必須選用偏置電流較小的運(yùn)放，如FET型的運(yùn)放。b.在此電路中，負(fù)載沒(méi)有共地。由于在地線上串入了電阻，流入地電平的電流將在取樣電阻上產(chǎn)生電氐此電壓將以地電平噪聲的形式出現(xiàn)在系統(tǒng)的所有地節(jié)點(diǎn)上，這樣將嚴(yán)重影響模擬電路的精度甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)數(shù)字電路的誤動(dòng)作。為了使電路的應(yīng)用更為廣泛，可以采用圖3所示的電路結(jié)構(gòu)。R3圖3差分放人型微安級(jí)恒流源電路此電路通過(guò)差分放人器的拓?fù)湫问浇鉀Q了恒流源負(fù)載不共地的問(wèn)題，負(fù)載是接在輸出與地線Z間。在此電路中，由于釆用了差分結(jié)構(gòu)，因此需慎重選擇電阻，其屮R1和R2

7、,R3和R4,R5和R6分別相等，如果這三對(duì)電阻選得不對(duì)稱(chēng)，將會(huì)嚴(yán)重影響輸出電流的精度。通過(guò)運(yùn)放“虛短虛斷”的原則，可以計(jì)算出在此電路屮DA轉(zhuǎn)換器輸出IV的電壓對(duì)應(yīng)恒流源電路的輸出電流為iopAo3運(yùn)用儀表放大器設(shè)計(jì)微安級(jí)恒流源電路差分放大型電路雖然解決了恒流源負(fù)載不共地的問(wèn)題，但電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且山于使用了三對(duì)大阻值精密電阻，器件難以購(gòu)買(mǎi)，使得電路的成本人大提高，通用性降低。但是,可以基于上述電路思想，運(yùn)用新型運(yùn)算放人器設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單簾價(jià)的屈精密微安級(jí)數(shù)控恒流源。圖4所示電路是釆用儀農(nóng)放人器INA118結(jié)合

8、運(yùn)放設(shè)計(jì)出的高精密微安級(jí)數(shù)控恒流源。圖4運(yùn)用儀表放大器構(gòu)建的微安級(jí)恒流源電路INA118是美國(guó)B?B公司生產(chǎn)的精密儀表放人器，具有精度高和共模抑制比高的優(yōu)點(diǎn)，適合對(duì)微小信號(hào)進(jìn)行不失真的放人。INA118由三個(gè)運(yùn)算放人器組成差分放大結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。其中運(yùn)放Al、A2的作用是為了提高放大器的輸入卩FL抗和提供放大(?其放大倍數(shù)山Rg決定)，Al、A2分別對(duì)Vin?和Vin+進(jìn)行電壓跟隨，A3和4個(gè)6ok