高精度恒流源的設(shè)計(jì)與制作

米衛(wèi)衛(wèi)， 楊 風(fēng)， 徐麗麗

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 太原市 030051）

0 引言

本文設(shè)計(jì)了1～45mA連續(xù)可調(diào)高精度恒流源，為了達(dá)到要求先收集功能相近的若干現(xiàn)有電路，加以比較、分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后取各家之長為我所用，做出基本方案，再通過計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)，完成任務(wù)。

1 幾種常見恒流源電路

恒流源分為流出(Current Source)和流入(Current Sink)兩種形式。

最簡單的恒流源，就是用一只恒流二極管。實(shí)際上，恒流二極管的應(yīng)用是比較少的，除了因?yàn)楹懔鞫O管的恒流特性并不是非常好之外，電流規(guī)格比較少，價(jià)格比較貴也是重要原因。

最常用的簡易恒流源如圖1所示，用兩只同型三極管，利用三極管相對穩(wěn)定的be電壓作為基準(zhǔn)，電流數(shù)值為：I = Vbe/R1。

圖1 最常用的簡易恒流源

這種恒流源優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，而且電流的數(shù)值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利于降低產(chǎn)品的成本。缺點(diǎn)是不同型號的管子，其be電壓不是一個(gè)固定值，即使是相同型號，也有一定的個(gè)體差異。同時(shí)不同的工作電流下，這個(gè)電壓也會有一定的波動。因此不適合精密的恒流需求。

為了能夠精確輸出電流，通常使用一個(gè)運(yùn)放作為反饋，同時(shí)使用場效應(yīng)管避免三極管的be電流導(dǎo)致的誤差。

典型的運(yùn)放恒流源如圖2所示，如果電流不需要特別精確，其中的場效應(yīng)管也可以用三極管代替。

圖2 典型的運(yùn)放恒流源

電流計(jì)算公式為：I = Vin/R1。這個(gè)電路可以認(rèn)為是恒流源的標(biāo)準(zhǔn)電路，除了足夠的精度和可調(diào)性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和調(diào)試。只不過其中的Vin還需要用戶額外提供。

從以上兩個(gè)電路可以看出，恒流源有個(gè)定式就是利用一個(gè)電壓基準(zhǔn)，在電阻上形成固定電流。有了這個(gè)定式，恒流源的搭建就可以擴(kuò)展到所有可以提供這個(gè)“電壓基準(zhǔn)”的器件上。

2 1～45mA高精度恒流源的設(shè)計(jì)方案

2.1 整體框圖

整體框圖如圖3所示。

它主要由基準(zhǔn)電壓源、比較放大器、調(diào)整管、采樣電阻等部分構(gòu)成，電源為基準(zhǔn)電壓源、比較器供電。簡單的說是電流串聯(lián)負(fù)反饋，具體的工作過程：通過采樣電阻把輸出電流轉(zhuǎn)變成電壓，反饋給比較放大器輸入端，再與基準(zhǔn)電壓相比較，放大器把誤差電壓放大后去控制調(diào)整管的內(nèi)阻對輸出電流進(jìn)行調(diào)整、維持輸出電流恒定。

圖3 整體框圖

2.1.1 電源

選擇直流12V電壓源，給基準(zhǔn)電壓源、比較器供電。12V電壓可以由220V市電經(jīng)變壓、整流、濾波、8712穩(wěn)壓輸出。電路如圖4所示。

由于12V電壓源比較普遍，并且穩(wěn)定性能好，所以本設(shè)計(jì)中直接用12V電源提供12V電壓。

2.1.2 基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓源選用常見的穩(wěn)壓二極管LM385，LM385系列為微功率二端帶隙穩(wěn)壓器二極管。設(shè)計(jì)工作于10微安到20mA的寬電流范圍。這些器件特征有非常低的動態(tài)阻抗，低噪聲以及隨時(shí)間和溫度穩(wěn)定工作。通過片內(nèi)微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的電壓誤差。該器件大動態(tài)的操作范圍使其適用于變化范圍很大的電源和具有優(yōu)異調(diào)整能力的應(yīng)用場合。

圖4 具體電路

2.1.3 比較放大器

比較放大器選用LM358，LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合 。

LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。

2.1.4 調(diào)整管

調(diào)整管選用D1071。D1071為低頻大功率NPN型達(dá)林頓管，6A,40W。

2.1.5 電阻

采樣電阻RS為46Ω的精密電阻，型號RII-81/4，精度為0.1%，溫度系數(shù)±25PPm/℃。

RV為10kΩ的滑動變阻器，實(shí)現(xiàn)比較器輸入電壓可調(diào)。從而使輸出電流可調(diào)。

2.1.6 測量顯示

為了實(shí)現(xiàn)對恒流源輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在負(fù)載電路中串聯(lián)一高精度電流表。對電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以用AD對采樣電阻的電壓進(jìn)行采集，加單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，送顯示屏顯示。此處采用自帶AD的ATMEGA16單片機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，送迪文顯示屏顯示，其圖見圖5。

其中，JTAG為程序下載接口，MAX3232有兩組串口，分別與PC和迪文屏連接。由于AD精度有限、數(shù)據(jù)處理存在誤差，而萬用表上的電流表測量部分比較常用，并且精度也能滿足要求，所以直接串聯(lián)高精度電流表。

圖5 顯示圖

2.2 原理圖

設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。

圖6 原理圖

它主要由基準(zhǔn)電壓源、比較放大器、調(diào)整管、采樣電阻等部分構(gòu)成，具體的工作過程：通過采樣電阻把輸出電流轉(zhuǎn)變成電壓，反饋給比較放大器輸入端，再與基準(zhǔn)電壓相比較，放大器把誤差電壓放大后去控制調(diào)整管的內(nèi)阻對輸出電流進(jìn)行調(diào)整、維持輸出電流恒定。采用基本沒有溫度漂移的精密電阻作為采樣電阻，功率達(dá)林頓管作為調(diào)整管，實(shí)現(xiàn)高精度的目的。比較放大器的輸入電壓可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)恒流源的可調(diào)。用高精度電流表對輸出電流進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對恒流源輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。此次所設(shè)計(jì)的恒流源具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、操作方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

3 裝配與調(diào)試

如原理圖所示，連接電路。在萬能板上合理分配元器件的布局，認(rèn)真焊接。注意LM385接1、2管腳，3空置，習(xí)慣平視時(shí)從左到右依次為1、2、3，1管腳接地。為了測量方便、穩(wěn)定，負(fù)載電阻由固定阻值的電阻串聯(lián)，在萬能板上留出端子，直接接線即可。為了更好的應(yīng)用此恒流源，負(fù)載電阻兩接線端接鳳凰端子，方便負(fù)載電阻的切換，對此恒流源無用，但有助于改進(jìn)。

焊接好之后，先對其進(jìn)行調(diào)試。通電之后，先用電壓表測量LM385兩端電壓，電壓在2.45V左右良好，否則檢查電路。移動RV，測量LM358的1管腳即輸出端電壓，至良好。觀察電流表是否有電流輸出，輸出則良好 。

4 測試與分析

4.1 測試內(nèi)容

本電路的原理是調(diào)節(jié)RV可以改變輸入比較放大器的電壓，進(jìn)而改變恒流源輸出電流的大小，通過電流表的讀數(shù)，對恒流源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

恒流源電流范圍，某一固定電流值時(shí)的帶負(fù)載能力。電流固定、負(fù)載固定在一定時(shí)間內(nèi)，電流的波動。電流固定時(shí)，在其帶負(fù)載能力范圍內(nèi)，電流的波動。

4.2 測試方法

4.2.1 證明輸出恒流

當(dāng)電流固定，改變負(fù)載，電流表示數(shù)不變時(shí)，可證明其輸出為恒流。

4.2.2 測出恒流范圍

在某一負(fù)載下，移動RV，讀出電流表最大值及最小值，即為恒流源的范圍。

4.2.3 測出固定電流下的帶負(fù)載能力

在固定電流下，改變負(fù)載，電流表示數(shù)改變時(shí)的電阻值（一般取較小值），此電阻值即為在此電流下的恒流源的所能驅(qū)動的最大負(fù)載。

4.2.4 恒流源的精度

從兩個(gè)方面測量，一是受時(shí)間的影響，二是受負(fù)載的影響。即RV不變，RL在一定范圍內(nèi)改變，觀察電流的波動；RV不變、RL不變，在一定時(shí)間內(nèi)觀察電流的波動。

由于上述測量量之間有相互限制，所以開始時(shí)應(yīng)反復(fù)測量。取合適值進(jìn)行測量。

4.3 具體操作

4.3.1 電流固定，改變負(fù)載，記錄電流表示數(shù)

以15mA為例，取RL=46Ω，調(diào)節(jié)RV使電流表顯示數(shù)值為15mA，固定RV，調(diào)接RL觀察電流表示數(shù)（見表1）。

表1 (a) 測試數(shù)據(jù)

4.3.2 RL不變，RV改變，記錄電流范圍

選擇RL=46Ω，調(diào)節(jié)RV，讀出電流表的示數(shù)。得出恒流源量程范圍為0～49mA。

4.3.3 RV不變（固定一電流值），RL范圍

電流取值1～45mA 分別記錄RL

以15mA為例，取RL=46Ω，調(diào)節(jié)RV使電流表顯示數(shù)值為15mA，固定RV，調(diào)節(jié)RL,測量D1071的BC端電壓，電壓為負(fù)且電流表示數(shù)不變的最大RL值，多次反復(fù)測量得出最大值為580Ω。

按同樣的方法測得其它電流下的最大RL如表1所示（RL并非取的最大值，有一定的余量）。

4.3.4 恒流精度

⑴ RV、RL都不變，記錄電流的波動

以15mA為例，取RL=46Ω，調(diào)節(jié)RV使電流表顯示數(shù)值為15mA，固定RV，讀取電流表顯示值，取下電阻再次加上，再讀數(shù)重復(fù)5次。

取RL=7Ω、100Ω,重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 (b) 按同樣的方法測得其它電流下的最大RL

表2 取RL=7Ω、100Ω,重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)

⑵ RV不變，RL在一定范圍內(nèi)改變，記錄電流的波動

夾放3次，記錄不同RL時(shí)的電流

以15mA為例，取RL=46Ω，調(diào)節(jié)RV使電流表顯示數(shù)值為15mA，固定RV。改變RL的值記錄電流表顯示數(shù)值，繪制成圖表見下，圖7為RL取7-301Ω，間隔約7Ω時(shí)，電流的波動。圖8為RL在7-580Ω，間隔約50Ω時(shí)，電流的波動。

⑶ RV不變、RL不變，在一定時(shí)間內(nèi)電流的波動。

以15mA為例，取RL=46Ω，調(diào)節(jié)RV使電流表顯示數(shù)值為15mA，固定RV。經(jīng)過24h,電流表顯示數(shù)值為 14.976mA（見表3）。

表3 24h,電流表顯示數(shù)值

4.4 數(shù)據(jù)分析

由表1可得，可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

由實(shí)驗(yàn)5.3.2可得， 此恒流源的范圍為0～49mA，滿足要求的 1～45mA。

由表2可得，電流越大，帶負(fù)載能力越弱，運(yùn)用此恒流源時(shí)應(yīng)注意其帶負(fù)載范圍。

由圖7圖8可見其具有恒流特性，因受環(huán)境、測量時(shí)間、地點(diǎn)及器件本身的影響，電流有一定的波動，由圖8可得，15 mA下其電流波動量最大為 Imax=15-14.94=0.06 mA，其精度為0.06/15*100%=0.4%,滿足其對精度 1% 的要求。

由實(shí)驗(yàn) 5.3.4 的 (3)可得，（15-14.976）/15*100%=0.16%,即對于固定的電流、電阻，恒流源的精度為0.16%/24h,有很好的穩(wěn)定性。

綜上所述，本恒流源具有結(jié)構(gòu)簡單，器件普遍，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)測量過程中受溫度、濕度、器件本身、布線等的影響，恒流源測量時(shí)肯定有所影響。但在一定范圍內(nèi)，滿足要求。

圖7 RL取7-301Ω，間隔約7Ω時(shí)，電流的波動

圖8 RL在7-580Ω，間隔約50Ω時(shí)，電流的波動

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