微安級數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)

微安級數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)

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1、微安級數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)時(shí)間:2010-06-2410:24:14來源:電子技術(shù)作者:胡波李波羅賢虎吳來杰徐行中國地質(zhì)大學(xué)摘要:微安級恒流源電路在粹密智能儀器和微傳感檢測技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。木文在分析了微安級數(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:微安級恒流源;閉環(huán)反饋;儀表放人器恒流源在各種測量電子電路和傳感器電子電路中應(yīng)用廣泛,是開關(guān)電源、信號檢測和功率放大等場合中不可替代的測試單元。微安級數(shù)控恒流源更

2、是廣泛地應(yīng)用于智能儀器和先進(jìn)檢測技術(shù)中。與-?般的恒流源電路相比,微安級恒流源輸出電流小,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)首先通過微處

3、理器計(jì)算出對應(yīng)的電壓值,由DA轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)輸出電壓,經(jīng)過濾波電路的處理,和誤差放人、功率放大、電流檢測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)使用的晶體管或場效應(yīng)管都有-數(shù)微安或者數(shù)十微安的漏電流,會影響電路的精度,遠(yuǎn)超過微安級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,能滿足微安級怛流源電路所需的輸出要求。因此在微安級恒流源中無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典型的微安級數(shù)控恒流源電路圖2所示為典型的微安級恒流源電路。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差分電路在微安級恒流源電路小的應(yīng)用圖2所示的微安級恒流源電路,簡單nJ靠,但存在兩個(gè)問題。a.運(yùn)放反向輸入端的偏置電流會影響電路的精度,尤其是對于微安

6、級的電路影響很人。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差分放人型微安級恒流源電路此電路通過差分放人器的拓?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,如果這三對電阻選得不對稱,將會嚴(yán)重影響輸出電流的精度。通過運(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)載不共地的問題,但電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,而且山于使用了三對大阻值精密電阻,器件難以購買,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)出簡單簾價(jià)的屈精密微安級數(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)出的高精密微安級數(shù)控恒流源。圖4運(yùn)用儀表放大器構(gòu)建的微安級恒流源電路INA118是美國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),適合對微小信號進(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Vin?和Vin+進(jìn)行電壓跟隨,A3和4個(gè)6ok

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