微安級恒流源設(shè)計(jì)

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1、微安級恒流源電路設(shè)計(jì)微安級數(shù)控恒流源廣泛地應(yīng)用于智能儀器和先進(jìn)檢測技術(shù)中。與一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彫響，在器件選擇和電路設(shè)計(jì)方面尤其要注意高耕度和高阻抗。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)算放大器反饋等。數(shù)控恒流源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，根據(jù)所需的恒流電路

2、的電流值，系統(tǒng)首先通過微處理器計(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，和謀差放大、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。圖1數(shù)控恒流源的?般結(jié)構(gòu)框圖梢密的恒流源電路多是使用運(yùn)算放大器作為負(fù)反饋的誤差放大器，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)也是基于這種閉壞反饋的思想，所不同的是由于在功率放大壞節(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，會影響電路的粘度，遠(yuǎn)超過微安級電路所允許的誤差范圍

3、。而一般運(yùn)放的輸出帶載能力都能達(dá)到數(shù)亳安或者數(shù)十亳安，能滿足微安級恒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)載電阻輸出電流。即運(yùn)放既起到謀差放大器的作用，又起到功率放大器的作JIJ。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促差和功率損耗，提高電路的精度和效率。VtR2LOAD圖2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

4、為電壓，進(jìn)入運(yùn)放的反向輸入端構(gòu)成負(fù)反饋。圖中R3為采樣電阻，需采用初始精度高、溫度漂移系數(shù)低的精密電阻o下面舉例說明元器件參數(shù)的選擇，如需要設(shè)計(jì)0?10pA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)換器的最大輸出電壓Vmax為2?5V,在此電路中，應(yīng)該對應(yīng)最大的輸出電流Imax為10uA,根據(jù)運(yùn)放“虛短虛斷”的原則，R3的值應(yīng)市式（1）確定。R3二Knax〃max因此R3應(yīng)取250kQ。2差分電路在微安級恒流源電路中的應(yīng)用圖2所示的微安級恒流源電路，簡單可靠，但存在兩個(gè)問題。a.運(yùn)放反向輸入端的

5、偏置電流會影響電路的耕度，尤其是對于微安級的電路影響很大。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陰上產(chǎn)生電壓，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)重影響模擬電路的粘度甚至?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)。圖3差分放人型微安級恒流源電路此電路通過差分放大器的拓?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，由于采用了差分結(jié)構(gòu)，

6、因此需慎重選擇電阻，其中R1和R2,R3和R4,R5利R6分別相等，如果這三對電阻選得不對稱，將會嚴(yán)重影響輸出電流的梢度。通過運(yùn)放“虛短虛斷”的原則，可以計(jì)算出在此電路中DA轉(zhuǎn)換器輸出1V的電壓對應(yīng)恒流源電路的輸出電流為10uAo3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，而且由于使用了三對大阻值箱密電阻，器件難以購買，使得電路的成本大大提高，通用性降低。但是，可以基于上述電路思想，運(yùn)用新型運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)出簡單廉價(jià)的高秸密微安級數(shù)控恒流源。圖4所示電路是

7、釆用儀表放大器INAU8結(jié)合運(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TNA118是美國B-B公司生產(chǎn)的將密儀表放大器，具有梢度高和共模抑制比離的優(yōu)點(diǎn)，適合對微小信號進(jìn)行不失真的放大。INA118由三個(gè)運(yùn)算放大猛組成差分放大結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5儀表放大器INA118的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖其中運(yùn)放Al.A2的作用是為了提高放大器的輸入阻抗和提供放大（其放大倍數(shù)由Rg決定），AHA2分別對Vin-和Vin+進(jìn)行電壓跟隨，A3和4個(gè)60kQ的電阻組成差分放大器。在圖4所示電路中，

8、根據(jù)運(yùn)放“虛短虛斷”的原則，負(fù)載電阻R2上流過的電流值由式(2)計(jì)算得出o/o=Hn/Rg?G(2)電路中Kg的穩(wěn)定性和溫度漂移對增益有影響，應(yīng)釆用高粘度、低噪聲的金屬膜電阻，OPA盡戢采用高阻抗運(yùn)算放大器，以減小偏置電流所帶來的誤差。如選用普通的運(yùn)放0PA177,lb的誤差達(dá)到土15nA：選用高速粘密運(yùn)放0PA602,Ih的誤差降為±lpA；選用靜電計(jì)級運(yùn)放0PA128,Ih的誤差僅