對基于恒壓源的精密恒流源思考分析

管梁

（廣州廣電城市服務集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在恒壓源器件中，恒流源的穩(wěn)定性高低，將直接關(guān)系到器件性能的發(fā)揮，為提升恒壓源來控制電流源準確度，最終達到精密恒流源的目的，降低溫度給恒流源的穩(wěn)定帶來的影響，需要對恒流源穩(wěn)定性不足的原因進行梳理，緊密結(jié)合實際，采取科學的設(shè)計方案就顯得尤為重要。

1 基于恒流源的概述

恒流源作為負載時提供恒定電流的電子元件或者電路，在電子技術(shù)與測試技術(shù)中得到了廣泛地運用，常見的應用有：①差動放大電路；②脈沖產(chǎn)生電路；③設(shè)定偏置電流；④負載有源模擬；⑤信號檢測系統(tǒng)。而恒流源的穩(wěn)定性影響因素主要是溫度，當溫度變化時，對PN結(jié)的穿透電流會帶來影響，使得恒流源電流發(fā)生變化。因此，在恒流源設(shè)計過程中，需要采取相應的溫度補償措施，才能將溫度引發(fā)的負面影響有效減緩。而就高精度的測試系統(tǒng)而言，恒流源在整個信號檢測中處于最前端，穩(wěn)定度的高低，將對系統(tǒng)精度帶來直接的影響。在實際應用過程中，為促進其精度提升，需要利用恒壓器來進行精密恒流源的制作[1]。

2 基于恒壓源的壓控提升恒流源精度的原理分析

圖1 原理電路

3 基于恒壓源的壓控提升恒流源精度的理論分析

第一，從目前實踐中的很多測試系統(tǒng)的實際來看，在運行中，勢必與地面之間形成電勢差，且電流需要從接地電阻端通過。而如果只是簡單的按照圖1所示的理論，將負載電阻和電源正極連接后，勢必難以達標，此時就需要把采樣電阻的供用電與運放輸入點的基準電壓全部改接在電源正極之上，同時負載電阻需要做好接地。

第二，為提升恒流源精度，需要認真選取電子元件的型號與規(guī)格，才能確保電子元件帶來溫度漂移。由于電壓十分穩(wěn)定，所以應選取基于恒壓源的電子器件，才能確保其精度得到提升。比如在基準穩(wěn)壓源選擇時，應選取電氣溫度系數(shù)最低和性能最佳的產(chǎn)品，而一般的穩(wěn)壓管主要是在半導體表面形成齊納擊穿的原理制作而成，那么勢必就需要面臨噪聲電壓較高和穩(wěn)定性不足的問題。為加強對其的改進，就需要采用以次表面隱埋技術(shù)為核心的穩(wěn)壓源，因為齊納擊穿所在位置為半導體內(nèi)部次表面上，使得電子器件自身的噪聲電壓就會明顯下降，使得溫度程度得到提升。以LM399為例，這一基準穩(wěn)壓源采用了次表面隱埋技術(shù)，不僅穩(wěn)定性高，而且噪音低，同時溫度較為溫度，當周邊溫度低于90℃時，溫度變化帶來的相關(guān)影響很小，可以忽略，這樣溫度漂移系數(shù)就能始終處于規(guī)范值之內(nèi)。

第三，在電阻選擇時，因為電流穩(wěn)定度與電子檔穩(wěn)定度有著直接的關(guān)聯(lián)，因此在電阻選擇時不能采用普通電阻，應確保所選的電阻具有溫漂系數(shù)低的特點，常規(guī)電阻溫漂系數(shù)往往超過500ppm，而此時要求的電阻溫漂系數(shù)需要在5ppm之內(nèi)。

第四，在電源方面的要求，就是確保所選的電源在紋波與諧波方面較少，將非溫度因素帶來的影響降低。尤其是目前的很多測控系統(tǒng)都涉及了數(shù)字電路，所以還要做好數(shù)字電路與模擬電路的區(qū)分，在電源負極做好共地處理，以盡可能地降低偏差。

第五，在運算放大器方面，主要是選用場效應管來替代傳統(tǒng)的晶體管，使得放大倍數(shù)和驅(qū)動能力還有基極電流得到有效提升。一般而言，放大倍數(shù)越大、穿透電流越小。溫漂系數(shù)才能有效降低[2]。

4 基于恒壓源的壓控提升恒流源精度的實踐分析

由于恒流源主要是在測試電路最前端，穩(wěn)定性的高低，將直接對系統(tǒng)的性能帶來影響，所以其關(guān)鍵就在于確保恒遠流的高穩(wěn)定度得到實現(xiàn)。因此，在本研究中，采用了以恒壓源為前提的設(shè)計思路，利用恒壓源具有穩(wěn)定性較高的特點，將采取運算放大電路后，轉(zhuǎn)換在恒流源之中，并設(shè)計了具有的電路。其中，在穩(wěn)定度測試時，主要所采用HP-3468A型號的高精度電流表（臺式）來進行，測試時長為48h，共獲取數(shù)據(jù)約2萬多條，通過對數(shù)據(jù)的梳理和設(shè)計實驗的結(jié)果，當恒流源漂移率是3×10-3%/d時，且溫漂系數(shù)是5.1×10-4%℃時，其穩(wěn)定性和可靠性最佳。以下結(jié)合本設(shè)計實驗，對恒壓源的壓控提升恒流源精度設(shè)計要點基于實證的方式進行研究。

4.1 電路優(yōu)化要點

很多目前的很多測試系統(tǒng)需要確保電流從接地一端的負載電阻中流過，從而形成對地電壓信號，而如果采用圖1的電路，其將負載電阻與電源正極連接，因此與對地電壓信號要求不足，所以在實際設(shè)計中，需要將與運放輸入端連接的基準電壓和采樣電阻的公共端全部接入電源正極，而負載電阻則基地，為滿足測試的需要，應對圖1所示的電路圖進行微調(diào)，調(diào)整后的電路圖詳見圖2所示。

圖2 實際電路

4.2 基準電壓源的選擇要點

在設(shè)計過程中，為確保得到的恒流源的精度更高，應切實做好器件型號的優(yōu)選，由于上述已經(jīng)在理論中說明，需要盡可能地選取低溫漂元件，從而降低器件引發(fā)的溫度漂移。為更好地進行選擇，筆者選取幾種常見的基準電壓源進行了對比。具體情況如下：①LM336-5型的基準電壓源，其基準電壓為5V，溫漂系數(shù)為30（單位為10-6/℃，下同），最大電流是10mA，采用的封裝方式為TO-06；②LM336-2.5型的基準電壓源，其基準電壓為2.5V，溫漂系數(shù)為20，最大電流是10mA，采用的封裝方式為TO-06；③TC05型的基準電壓源，其基準電壓為2.5V，溫漂系數(shù)為50，最大電流是20mA，采用的封裝方式為DIP-8；④MAX673型的基準電壓源，其基準電壓為5V，溫漂系數(shù)為2，最大電流是10mA，采用的封裝方式為TO-99；⑤LM399型的基準電壓源，其基準電壓為6.95V，溫漂系數(shù)為1，最大電流是10mA，采用的封裝方式為TO-92；⑥MC1403型的基準電壓源，其基準電壓為2.5V，溫漂系數(shù)在10到100之間，最大電流是10mA，采用的封裝方式為DIP-8；⑦μPC1060型的基準電壓源，其基準電壓為2.5V，溫漂系數(shù)在40以下，最大電流是10mA，采用的封裝方式為DIP-8。

通過對這七種基準電壓源進行對比和優(yōu)選之后，發(fā)現(xiàn)第⑤種最佳，也就是LM399為系統(tǒng)的最佳基準電壓源，因為其不僅電壓溫漂系數(shù)最低，而且性能也最佳。而①LM336-5和②LM336-2.5型的基準電壓源，采用的是半導體表面齊納擊穿技術(shù)，所以噪聲電壓較高，而且穩(wěn)定性不足。而其余4種要么就是電壓溫漂系數(shù)大，要么就是性能不佳，且大都是以半導體表面齊納擊穿技術(shù)制作而成，因為上述已經(jīng)分析，采用這種技術(shù)制作的性能不佳，而LM399是采用次表面隱埋技術(shù)制作而成的齊納穩(wěn)壓管，不僅穩(wěn)定性高，而且噪聲電壓較低，加上其恒溫特性較為明顯，當環(huán)境溫度在90℃以下時，溫度變化給基準電壓帶來的影響可以忽略不計，溫漂系數(shù)為1×10-6/℃，也就是標準值，而其余的六種基準電壓源達不到這一標準。

4.3 運算放大器的選擇要點

因為在上述理論中，對電阻和電源的選擇要點進行了分析，且選擇的難度低，在此不進行說明，主要是結(jié)合本次實踐，對運算放大器的選擇要點進行實證分析。在本設(shè)計實驗中主要選用的運算放大器的性能分析如下：①OP07型運算放大器，采用的運放方式為低溫漂，工作電壓為±3.0-±16V，溫漂系數(shù)為0.6，單價為2.5元一只，由A廠生產(chǎn)；②OP07型運算放大器，采用的運放方式為低溫漂，工作電壓為±3.0-±16V，溫漂系數(shù)為0.6，單價為2.5元一只，由A廠生產(chǎn)；③INA128型運算放大器，采用的運放方式為高精密，工作電壓為±3.0-±40V，溫漂系數(shù)為0.5，單價為48.0元一只，由B廠生產(chǎn)；④INA620型運算放大器，采用的運放方式為儀表，工作電壓為±2.3-±18V，溫漂系數(shù)為0.6，單價為45.0元一只，由A廠生產(chǎn)；⑤AD707型運算放大器，采用的運放方式為低溫漂，工作電壓為±2.3-±22V，溫漂系數(shù)為0.1，單價為25.5元一只，由A廠生產(chǎn)；⑥LM324型運算放大器，采用的運放方式為常規(guī)方式，工作電壓為±1.5-±16V，溫漂系數(shù)為7.0，單價為2.0元一只，由C廠生產(chǎn)。由于上述理論分析已經(jīng)總結(jié)，為了將運算放大器引發(fā)的誤差降低，需要采用溫度漂移系數(shù)較小的運放方式，所以選用第⑤種作為本試驗的運算放大器。此外，需要說明的是，在圖2中，IRF530為場效應管，主要是從放大倍數(shù)和驅(qū)動能力以及基極電流三個方面綜合分析后得到的，也與上述的理論要求相符[3-5]。

5 結(jié)語

綜上所述，良好的器件必須要與科學合理的設(shè)計來結(jié)合，才能更好地將其優(yōu)勢發(fā)揮出來。本文結(jié)合恒壓源的技術(shù)原理，精密恒流源的設(shè)計要點進行了分析和總結(jié)，采取理論與實踐的方式，對本文提出的方案進行了初步論證，以期為實踐應用提供相關(guān)的借鑒和幫助，以更好地滿足智慧城市在電子技術(shù)方面的需要，為智慧城市的建設(shè)、管理和發(fā)展貢獻綿薄之力。