一種線性負(fù)反饋可編程電流源的設(shè)計(jì)

黃劍平，沈漢鑫

(廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

一種線性負(fù)反饋可編程電流源的設(shè)計(jì)

黃劍平，沈漢鑫

(廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

設(shè)計(jì)了采用線性負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的可編程電流源，并詳細(xì)闡述電路的工作原理、設(shè)計(jì)思路和具體電路參數(shù)的計(jì)算過程.充分利用各關(guān)鍵元器件的精密、穩(wěn)定、低噪聲、低溫漂等良好特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制,輸出電流范圍為0～1.024A.該電路在反饋部分采用精密運(yùn)算放大器對(duì)取樣電阻的電壓進(jìn)行精準(zhǔn)放大，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的靈活性.測(cè)試結(jié)果表明，該電路性能穩(wěn)定可靠，電流的輸出線性度良好，輸出電流誤差小，負(fù)載調(diào)整率低.

電流源;運(yùn)算放大器;電流取樣;負(fù)反饋

電流源能向負(fù)載提供恒定的電流,而不管所接的負(fù)載與所加的電壓如何[1]，是常用的電子設(shè)備.電流源在很多場(chǎng)合都有廣泛的應(yīng)用，如電源管理、精密測(cè)量、傳感器驅(qū)動(dòng)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療儀器等[2-3].目前，常見的電流源電路設(shè)計(jì)方案有參數(shù)穩(wěn)流式、脈沖調(diào)寬式(開關(guān)式)、線性負(fù)反饋式等.參數(shù)穩(wěn)流式電流源利用二極管或者三極管的飽和導(dǎo)通電壓不變的特性進(jìn)行穩(wěn)流，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出電流范圍小、精度不高[4].脈沖調(diào)寬式電流源通過改變調(diào)整器的工作脈沖寬度達(dá)到恒流的目的，這種電流源工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小,但紋波電流大,輻射干擾強(qiáng)，精度低.線性負(fù)反饋式電流源通過改變調(diào)整器的工作電壓,使其輸出電流保持恒定,具有失真小、穩(wěn)定度高、紋波小等特點(diǎn),但功率損耗大、效率較低,主要應(yīng)用于高精度場(chǎng)合[5-6].

目前常見的可編程電流源大多為12位的控制分辨率，不能滿足一些需要精細(xì)控制的應(yīng)用場(chǎng)合，且電流反饋部分大多需要由單片機(jī)控制DA芯片采樣，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制效果一般.本文給出了一種具有16位控制分辨率的可編程電流源設(shè)計(jì)，由單片機(jī)、基準(zhǔn)電壓源、16位DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、精密運(yùn)算放大器、功率MOS管等元器件組成.該電路控制精度更高，由精密運(yùn)算放大器組成反饋電路，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，且控制結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

1　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.1硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示.電壓基準(zhǔn)源向DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片提供轉(zhuǎn)換所需的基準(zhǔn)電壓，單片機(jī)控制DAC芯片輸出比較電壓.比較電壓送到精密運(yùn)算放大器的“+”輸入端，經(jīng)過電流放大之后向負(fù)載供電，流過負(fù)載的電流經(jīng)過一個(gè)與之串聯(lián)的精密取樣電阻得到一個(gè)精確的采樣電壓值，經(jīng)過電壓放大之后反饋回精密運(yùn)算放大器的“-”輸入端，從而形成一個(gè)閉環(huán)的控制回路，使電流穩(wěn)定在一個(gè)值上.

1.2DAC轉(zhuǎn)換電路

DAC8830芯片的參考電壓由串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)芯片REF5040提供.REF5040的輸出電壓為準(zhǔn)確的4.096V，電壓精度可達(dá)0.1%以上，溫度漂移最大值僅為8×10-6·℃-1，噪聲值僅為12μVPP，芯片長期穩(wěn)定性好，適用于精密儀器設(shè)計(jì).電路中REF5040的輸出端接有10μF和0.1μF的去耦電容，分別用來濾除低頻和高頻的干擾噪聲，保證后繼DAC8830芯片輸出電壓的精確和穩(wěn)定.

DAC8830采用3線的SPI接口來接收DA轉(zhuǎn)換指令.這里選用ATMEL公司的ATMEGA16單片機(jī)來控制DAC8830，這是一款基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器.它自帶有SPI接口，通過讀寫相應(yīng)的寄存器就可以實(shí)現(xiàn)SPI接口通訊，簡(jiǎn)化了編程的工作.將ATMEGA16單片機(jī)SPI接口的SCK引腳和MOSI引腳與DAC8830相應(yīng)的控制引腳連接，選取PB0端口輸出片選信號(hào)，就可實(shí)現(xiàn)從單片機(jī)向DAC8830發(fā)送串行的DAC轉(zhuǎn)換命令字.DAC8830的輸出電壓為：VDAC=Vref×DA_CODE/216，其中DA_CODE為單片機(jī)發(fā)送的16位串行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換命令字.以上這些芯片均工作在5V電壓，由電路圖中的U1即一片L7805穩(wěn)壓芯片提供.

1.3電流驅(qū)動(dòng)電路

整個(gè)系統(tǒng)的核心部分是大電流驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示.該電路部分采用線性負(fù)反饋結(jié)構(gòu).精密運(yùn)算放大器AD8620即U5A的輸出端驅(qū)動(dòng)N溝道MOS管IRF640N的柵極電壓，使之導(dǎo)通，向負(fù)載提供電流[8].選用MOS管而沒有使用大功率三極管的原因是MOS管具有更小的導(dǎo)通電阻，IRF640N的導(dǎo)通電阻僅為150mΩ，有利于減小芯片的導(dǎo)通損耗.當(dāng)DAC8830芯片輸出一個(gè)比較電壓到U5A的“+”輸入端時(shí)，該運(yùn)算放大器的輸出端電壓升高，使MOS管導(dǎo)通，向負(fù)載提供電流.隨著MOS管驅(qū)動(dòng)電流的增大，與之串聯(lián)的電流取樣電阻R9上的壓降也跟著增加，通過另一個(gè)AD8620運(yùn)算放大器U5B對(duì)取樣電壓進(jìn)行同相放大后，反饋到U5A“-”輸入端的電壓值也隨之增大，直至U5A的“+”“-”輸入端達(dá)到均衡狀態(tài)，即U5A運(yùn)算放大器的“+”和“-”輸入端的電壓相等.均衡后電路向負(fù)載輸出的電流達(dá)到穩(wěn)定值.

按電路圖中所選用的參數(shù)，取樣電阻上的壓降Vsample為：Vsample=Iout×R9,U5B運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為：A=(R5+R6+R8)/R8.經(jīng)過U5B放大后反饋到U5A運(yùn)算放大器“-”輸入端的電壓與DAC8830芯片輸入到“+”輸入端的比較電壓相等，有：VDAC=Iout×R9×(R5+R6+R8)/R8,代入具體的電阻參數(shù)，計(jì)算得到輸出電流的表達(dá)式為：Iout=VDAC/4.由于VDAC的輸出電壓范圍是0～4.096 V，因此計(jì)算得到輸出電流Iout的范圍是0～1.024 A，DAC8830芯片是16位分辨率，因此該電路理論上的最小電流分辨率為1.024 A/216=15.625 μA.

1.4電路仿真

使用Proteus 7.8電路仿真軟件對(duì)電流驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行仿真，用一個(gè)直流激勵(lì)源代替DAC輸出電壓，在輸出端串接一個(gè)直流電流表測(cè)量輸出電流的值，如圖4所示，直流激勵(lì)源輸入不同的電壓值，得到一組輸出電流值如表1所示，仿真結(jié)果與上述推導(dǎo)的輸出電流表達(dá)式相符.

表1　電流驅(qū)動(dòng)部分仿真測(cè)量

2　性能測(cè)試

2.1電流輸出特性測(cè)試

對(duì)該電路的性能進(jìn)行測(cè)試.在電路輸出端加上0.5 Ω的大功率電阻作為負(fù)載，預(yù)熱10 min，單片機(jī)通過SPI接口向DAC8830發(fā)送一系列DAC轉(zhuǎn)換命令.用6位半的數(shù)字萬用表分別測(cè)量DAC8830的輸出電壓值和整個(gè)電路的輸出電流值,如圖5所示.

得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，從表2中可以看出,DAC8830數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果的相對(duì)誤差最大僅為0.15%，考慮到干擾噪聲和儀器的精度影響，這個(gè)結(jié)果很準(zhǔn)確.并且輸出電流的測(cè)量值與理論值基本吻合，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的誤差都很小，最大的誤差點(diǎn)為1.10%.畫出輸出特性曲線如圖6所示.可以看出，電流源的輸出電流與DAC命令字呈很好的線性關(guān)系.造成誤差的主要原因有：供電電源的紋波，運(yùn)算放大器U5的失調(diào)電壓，反饋放大電路中電阻R5、R6、R8的精度，電流采樣電阻的精度及溫漂，DAC芯片的轉(zhuǎn)換誤差等.

表2　DAC 8830芯片輸出電壓和電流源輸出電流測(cè)量

2.2輸出分辨率測(cè)試

在負(fù)載為0 Ω時(shí)分別測(cè)量從0x1000到0xF000的15個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出電流值，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)再測(cè)量DAC命令字增量為0x0010的輸出電流值，兩者求出差值，再將差值除以增量值十六進(jìn)制0010即十進(jìn)制16，就得到了在該測(cè)試點(diǎn)的電流分辨率，如表3所示.對(duì)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)計(jì)算的分辨率再取平均，得到整個(gè)DAC命令字段的平均分辨率為17 μA.前面計(jì)算的理論值為15.625 μA，考慮到器件溫漂和干擾的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果符合預(yù)期.

表3　電流分辨率測(cè)量

2.3負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

負(fù)載調(diào)整率(load regulation)是衡量電源性能的重要指標(biāo)，反映負(fù)載變動(dòng)的情況下電源提供穩(wěn)定輸出的能力[11].在DA轉(zhuǎn)換命令字為0x8000時(shí)，改變負(fù)載電阻的阻值，每次增加1 Ω，從0 Ω增大到10 Ω，測(cè)量輸出電流的變化情況并畫出曲線，如表4、圖7所示.從表4和圖7中可以看出，輸出電流隨著負(fù)載電阻的增加始終保持穩(wěn)定.

表4　負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

負(fù)載電阻/Ω輸出電流/mA0507.3231506.0912506.5683507.4854507.1955508.1296508.9137509.3138509.5199509.80110509.781

3　小結(jié)

本文給出了一種可編程電流源的設(shè)計(jì)，包括DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)SPI通訊部分、AD8620與大功率MOS管組成的電流驅(qū)動(dòng)部分和電流取樣反饋部分.系統(tǒng)的各關(guān)鍵部分均選用了性能良好的精密、低噪聲、低溫漂元件.對(duì)電流輸出特性和負(fù)載穩(wěn)定特性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該電路電流輸出線性度良好，輸出誤差值很小，輸出電流分辨率符合預(yù)期，輸出電流的負(fù)載調(diào)整率很小.該電路采用運(yùn)算放大器對(duì)取樣電壓進(jìn)行放大反饋的方法，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性.

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(責(zé)任編輯雨松)

A Programmable Current Source Using Linear Negative Feedback

HUANG Jian-ping，SHEN Han-xin

(SchoolofOptoelectronicandCommunicationEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China)

Aprogrammablecurrentsourceusinglinearnegativefeedbackstructurewasdesignedwithdetaileddescriptionofworkingprincipleofthecircuit,thoughtsofthedesignerandprocessoftheparameterscalculation.Thecircuitisabletogiveaprecisecontroloftheoutputcurrentowingtoprecision,stability;lownoiseandlowtemperaturedriftofthekeycomponentsanditsoutputcurrentrangesfrom0to1.024A.Thefeedbackhasaninnovativedesigntouseprecisionoperationamplifierinamplifyingthevoltageofsamplingresistoraccuratelythataddstotheflexibilityofthecircuit.Testresultshowsthatthecircuitisstableandreliablewithgoodlinearoutput,lowerrorandlowloadregulationperformance.

currentsource;operationalamplifier;currentsampling；negativefeedback

2014-09-28

2014-11-10

福建省科技廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2012J01238)；福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA11231)；廈門理工學(xué)院教改項(xiàng)目(JGQ201210)

黃劍平(1981-)，男，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì).E-mail:jphuang@xmut.edu.cn

TN86A

1673-4432(2015)01-0067-06