一種可調(diào)節(jié)低噪聲恒流源電路

黃惠琳，陸小飛，楊羽佳，黃 靜，施 佺

（1.南通大學 信息科學技術(shù)學院，江蘇 南通 226019；2.南通大學杏林學院，江蘇 南通 226019）

0 引言

恒流源是穩(wěn)定電源中的一個特殊支系，當輸入電壓、負載、工作溫度等在某個范圍內(nèi)波動時，其輸出電流基本保持不變。恒流源被廣泛應用于計量測試、科學研究、通信技術(shù)、LED 照明以及半導體激光器（Laser Diode，LD）等領(lǐng)域。其中，LD 是一種依靠電流注入作為激勵工作的器件，注入電流的噪聲會影響其電子?光子的轉(zhuǎn)換，從而導致輸出光功率發(fā)生變化。因此，LD 對驅(qū)動恒流源有高穩(wěn)定性、低噪聲的要求。恒流源作為電子電路和模擬電路中使用較多的電路單元之一，人們一直沒有停下研究腳步。目前，負反饋結(jié)構(gòu)是提高恒流源穩(wěn)定性的一個有效途徑。除此以外，選擇低溫漂的基準電壓源和采樣電阻等也是提高恒流源性能的有效手段。為滿足LD 對恒流源高穩(wěn)定性、低噪聲的性能需求，本文設(shè)計一款基于負反饋結(jié)構(gòu)的恒流源電路，在Multisim 軟件中經(jīng)仿真優(yōu)化完成了電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計與核心元器件的選型，確定了元器件的參數(shù)值，并設(shè)計加工了PCB 電路，給出了實際電路的測試結(jié)果，具體設(shè)計與測試分析如下。

1 恒流源電路設(shè)計

圖1 為本文設(shè)計的恒流源電路結(jié)構(gòu)框圖。圖中：線性穩(wěn)壓模塊將外部的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電源電壓，為其他3 個模塊提供電源；基準電壓模塊將獲得的穩(wěn)定電壓進一步分壓，輸出多路低噪聲基準電壓提供給電流調(diào)控模塊；電流調(diào)控模塊通過對輸入恒流驅(qū)動模塊基準電壓的調(diào)整，達到控制輸出電流大小的目的；恒流驅(qū)動模塊利用負反饋原理，使作用在采樣電阻上的基準電壓保持不變，提高輸出電流的穩(wěn)定度。

圖1 恒流源電路設(shè)計方案

1.1 線性穩(wěn)壓模塊設(shè)計

本文設(shè)計的恒流源電路需要兩個不同的電壓值：5 V 和4 V。其中，5 V 電壓給線性穩(wěn)壓模塊和恒流驅(qū)動模塊供電；4 V 電壓為帶隙基準電壓源、多路復用器、運放等供電，整個電路對4 V 電壓的需求多且穩(wěn)定性要求高。為此，本設(shè)計采用低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）芯片來實現(xiàn)該模塊的設(shè)計。

現(xiàn)有的LDO 芯片型號較多，功能也不盡相同。在綜合考慮性能、價格后，本文選擇了美國微芯公司設(shè)計的TC1015 線性穩(wěn)壓器，其內(nèi)部集成有超溫和過電流保護電路，且輸出電壓噪聲極低，適用于穩(wěn)壓電路。查閱該芯片的產(chǎn)品手冊可知，TC1015 共有10 種固定的輸出電壓可選，本文選擇其輸出電壓為4 V，得到的線性穩(wěn)壓電路如圖2 所示。

圖2 線性穩(wěn)壓模塊

為降低電路對PCB 布局的敏感性，在VIN 與GND間接入容值為1 μF 的旁路電容，在VOUT 與GND 間接入同樣容值的旁路電容?？紤]為后續(xù)器件供電時，電壓在傳輸線中會產(chǎn)生一些波動，在VOUT 與GND 間又接入了容值為0.1 μF 的濾波電容～。電容～不僅可以濾除噪聲，也可以及時補充器件高速工作時所需的尖峰電流。

1.2 基準電壓模塊設(shè)計

圖3 基準電壓模塊

圖3 中，AD780BN 提供3 V 的低噪聲基準電壓，利用電阻～實現(xiàn)電壓分壓，通過節(jié)點S～S送入多路復用器?！鶠槿葜?.1 μF 的濾波電容，濾除基準電壓電路中可能的噪聲。利用流經(jīng)電阻～的電流均相等，由基爾霍夫電壓、電流定律可知：

式中：U為兩端電壓降2.65 V；U為～每個電阻的壓降30 mV；U為壓降20 mV。代入式（1）、式（2）后可得：

測試時，取=50 Ω，則=4 417 Ω，=35 Ω。

1.3 電流調(diào)控模塊設(shè)計

為使電流調(diào)控更加便捷，本文在基準電壓模塊后加入型號為ADG1606 的多路復用器。多路復用器的選擇需要考慮導通電阻及導通電阻平坦度對輸出信號非線性失真的影響。本文所選多路復用器在工作溫度范圍內(nèi)最大導通電阻為7.5 Ω，其構(gòu)成的電流調(diào)控電路如圖4 所示。電路中芯片開關(guān)端口S～S接12 個不同的基準電壓，S～S接地，4 位二進制地址線（A～A）選擇16 個單通道輸入中哪一路切換到公共輸出端。

圖4 電流調(diào)控模塊

1.4 恒流驅(qū)動模塊

恒流驅(qū)動模塊是恒流源電路的核心單元，本文設(shè)計的負反饋結(jié)構(gòu)恒流驅(qū)動模塊如圖5 所示。其由低噪聲運放U、保護電阻、采樣電阻、短路保護開關(guān)K、半導體激光器LD、3 個電容（～）和2 個三極管（Q與Q）組成。U的同相端通過電阻接入來自復用器輸出的電壓，反相端接采樣電阻，負反饋結(jié)構(gòu)使采樣電阻兩端電壓與同相端電壓保持一致，以使整個網(wǎng)絡(luò)處于動態(tài)平衡。為使采樣電阻兩端電壓保持穩(wěn)定，選擇噪聲低、電源抑制比高的運算放大器，本文使用單電源供電的LT1677 型軌至軌運算放大器，其可輸出0 至電源電壓。

圖5 恒流驅(qū)動模塊

圖5 中，運放U同相端輸入電壓由電流調(diào)控模塊的輸出提供，通過由場效應管Q與晶體管Q組成調(diào)整網(wǎng)絡(luò)后，由采樣電阻將采樣電壓反饋到U反相端。將與做比較，調(diào)控U的輸出電壓，進一步調(diào)控輸出電流。電路中Q選擇低噪聲場效應管2SK170，Q選擇NPN型晶體管MJE15032，采樣電阻阻值為1 Ω，保護電阻阻值為10 Ω，容值為1 μF，，容值為0.1 μF。

LD 是一種結(jié)型器件，承受電沖擊能力弱，使用過程中的電沖擊主要來自電源關(guān)斷或開啟時產(chǎn)生的電壓、電流涌浪沖擊，或是外電路帶來的涌浪沖擊?；诖?，本文將一個接觸電阻很小的開關(guān)K與LD 并聯(lián)。當開關(guān)K閉合時，由于K電阻很小，此時K相當于短路，電流不會經(jīng)過LD，在電路穩(wěn)定工作后再斷開K，LD 開始工作，這種方法可以非常有效地消除電源開關(guān)時所產(chǎn)生的涌浪沖擊。

2 實驗測試

2.1 輸出電流相對誤差測試

圖6為設(shè)計的恒流源電路實物圖，電路尺寸為3.5 cm×3.0 cm，電路板分為上下兩塊極板，通過四角上的排針相連。上極板的VIN 端接5 V 的電源電壓，下極板通過杜邦線控制芯片輸出，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)電流的目的。

圖6 恒流源電路上極板（左）和下極板（右）實物圖

設(shè)計的恒流源可以輸出12 個不同的電流值。采用六位半數(shù)字萬用表Keithley 2000 測量恒流源輸出值，測試電路如圖7 所示。測量的數(shù)據(jù)為直流電壓，根據(jù)歐姆定律將直流電壓轉(zhuǎn)換成直流電流。

圖7 電路測試照片

輸出電流值與復用器真值表的關(guān)系，以及測量數(shù)據(jù)如表1 所示，其中相對誤差是將實際值與理論值進行比較，計算公式如下：

表1 恒流源輸出電流測試結(jié)果

由表1 可以看出，除20 mA 以外，其余電流測試值與預設(shè)值誤差較小，相對誤差優(yōu)于1.5%。由表1 結(jié)果分析可知：電流值整體偏小，可以通過減小阻值或選用更高精度的電阻等對電路進行改進；而20 mA 電流值與預期誤差較大，可增大阻值或選用高精度電阻做進一步改進。

2.2 輸出電流穩(wěn)定性測試

在室溫下，利用數(shù)字直流穩(wěn)壓電源、六位半數(shù)字萬用表對恒流源進行穩(wěn)定性測試?？紤]半導體激光器價格昂貴，參考其推薦用法，測試時將2 個5 Ω 的高精密金屬箔電阻器RJ711 并聯(lián)得到2.5 Ω 的負載接入電路輸出端，用萬用表直流電壓檔進行測量，每隔1 min 記錄1 次恒流源輸出電流，觀察電流穩(wěn)定度，總計60 min。其記錄結(jié)果如圖8 所示，可以看出，該恒流源連線工作1 h 后，輸出電流仍保持穩(wěn)定。

圖8 輸出電流與時間的關(guān)系

穩(wěn)定性（）是恒流源性能優(yōu)異的重要指標，計算公式如下：

式中：是輸出電流平均值；是電流測試值。計算得到輸出電流值為20 mA 時最大，為0.029%；輸出電流值為350 mA 時最小，為0.007%?？梢姡懔髟捶€(wěn)定性良好。

不同輸入電壓下，電路輸出電流的測試結(jié)果如圖9 所示。圖9 表明，該恒流源在3.8～5.5 V 之間輸出的電流穩(wěn)定。

圖9 輸出電流與輸入電壓關(guān)系

2.3 輸出電流噪聲測試

半導體激光器對恒流源要求必須是低噪聲的，所以對所設(shè)計的恒流源進行噪聲大小測試是非常必要的。同樣采用六位半數(shù)字萬用表進行測試，負載仍為2.5 Ω高精度電阻，選擇萬用表的直流電壓檔進行測量。測試時，從輸出電流350 mA 按30 mA 遞減至20 mA，每改變一次電流值就記錄電流表上直流電壓檔的示數(shù)。表2 為電流噪聲與輸出電流的關(guān)系。由表可知，該恒流源輸出電流噪聲最大為2.8 μA。

表2 電流噪聲隨輸出電流的變化關(guān)系

表3 中給出了所設(shè)計的恒流源電路性能參數(shù)與部分已報道的恒流源電路參數(shù)的比較。由表3 可見，本文電路具有低噪聲的性能。

表3 恒流源電路性能參數(shù)比較

3 結(jié)論

為給半導體激光器提供高穩(wěn)定性、低噪聲的恒定電流，設(shè)計一種可調(diào)節(jié)的恒流源電路。此恒流源采用負反饋結(jié)構(gòu)，通過JFET 將電壓轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)過JFET 和BJT構(gòu)成的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出穩(wěn)定的電流，并給出了消除電源開關(guān)產(chǎn)生的涌浪沖擊的方法。測試結(jié)果表明，該電路可在3.8～5.5 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，按30 mA 的步進輸出20～350 mA 的輸出電流，電流穩(wěn)定度在0.007%～0.029%之間，噪聲低于3 μA，同時具有體積小的優(yōu)點。

注：本文通訊作者為陸小飛。