感性負(fù)載下高精度電流源研究

張智勇，盧亦桐，韓靜怡，任曉琨

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710076）

0 引言

航空機(jī)載設(shè)備之間需要傳輸各種信號(hào)，信號(hào)傳輸方式除了常規(guī)的直流電壓傳輸之外，電流信號(hào)由于具有其較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的干擾抑制能力，較強(qiáng)的遠(yuǎn)距離傳輸能力以及安全可靠的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用也十分廣泛。電流信號(hào)通常由精密的電流源電路產(chǎn)生，設(shè)計(jì)精密的電流源是電流信號(hào)穩(wěn)定可靠傳輸?shù)闹匾A(chǔ)。目前，大部分電流源的輸出均由輸入電壓直接控制，輸出電流大小與輸入電壓基本呈線性關(guān)系，輸入電壓經(jīng)V-I轉(zhuǎn)換電路輸出電流。因?yàn)檩斎腚妷寒a(chǎn)生的電路拓?fù)涠喾N多樣，以及V-I轉(zhuǎn)換電路拓?fù)湟哺鞑幌嗤噪娏髟丛谳敵龇秶洼敵鼍确矫嬗懈髯蕴攸c(diǎn)[1]。

文獻(xiàn)[4]對(duì)Howland電流源進(jìn)行了研究，原本的Howland電流源電路輸出受負(fù)載干擾較大，分辨率、控制精度和穩(wěn)定性都不高。該文獻(xiàn)針對(duì)這些問(wèn)題，以DSP為控制核心，將Howland電流源電路進(jìn)行了改進(jìn)，DSP控制12位DAC產(chǎn)生電壓基準(zhǔn)作為壓控電流源的輸入。同時(shí)，設(shè)計(jì)電流反饋，實(shí)時(shí)采樣和比較，對(duì)電路進(jìn)行精確的控制和補(bǔ)償。測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)的Howland電流源電路安全性和準(zhǔn)確性均得到了提升，負(fù)載的影響顯著降低，穩(wěn)定性，精度和分辨率都有一定提升，滿足力矩電機(jī)等高精度高安全性要求的應(yīng)用需求[4]。

文獻(xiàn)[5]提出了一種高精度寬范圍的數(shù)控電流源模塊，該電流源模塊包含一種由運(yùn)算放大器和P溝道MOS管組成的壓控電流輸出電路。在該設(shè)計(jì)中，輸出電流精度高，范圍寬，同時(shí)高度集成的運(yùn)算放大器使電路具有小型化優(yōu)點(diǎn)[5]。

文獻(xiàn)[6]提出了一種支持正負(fù)20mA范圍內(nèi)輸出的高精度電流源電路，其V-I轉(zhuǎn)換核心由兩個(gè)相同的儀表放大器組成，輸出精度可達(dá)千分之一，并同時(shí)檢測(cè)電流的反饋值上報(bào)CPU[3]。當(dāng)電流源驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載或者容性負(fù)載時(shí)，輸出電流穩(wěn)定性較好。然而，在感性負(fù)載下，輸出電流變化時(shí)，電路的穩(wěn)定性以及快速性均會(huì)受到一定程度的考驗(yàn)[7]，該文獻(xiàn)沒(méi)有考慮感性負(fù)載對(duì)電路輸出的影響。本文在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上進(jìn)行感性負(fù)載下高精度電流源的穩(wěn)定性和快速性研究。

1 電路基本原理

文獻(xiàn)[6]提出的電路核心包括級(jí)聯(lián)的儀表放大器以及推挽電路，如圖1所示，儀表放大器U1的輸出控制推挽電路的基極電壓，儀表放大器U2提供誤差校正，誤差電壓送至U1的基準(zhǔn)腳，并與輸入電壓Uref相加，結(jié)果得到一個(gè)與輸入電壓Uref成正比的輸出電流IOUT，即使在90mA輸出時(shí)也可以保持高精度。

圖1 核心電路原理圖

儀表放大器雖然是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來(lái)的,但比運(yùn)算放大器性能更好,是一個(gè)更加精確的差分電壓放大器[8]。因?yàn)樵趦x表放大器的里面還整合了關(guān)鍵電極塊,所以它具備高共?？刂票?、高輸入工作電流、低噪音、低線性誤差、低損失漂移增益等設(shè)計(jì)靈活和應(yīng)用簡(jiǎn)便的特性,應(yīng)用于高速的控制、數(shù)據(jù)采集以及傳感器信號(hào)的放大等技術(shù),在醫(yī)療儀器,航空航天,高檔音響設(shè)備等領(lǐng)域倍受青睞。另外,儀表放大器差分輸出,單端輸入,自身是一個(gè)小閉環(huán)系統(tǒng)。通常,計(jì)算放大器的閉環(huán)增益是根據(jù)反相輸入端和輸入輸出端間所連接的外界電流確定,但在儀表放大器內(nèi)有反饋電阻網(wǎng),由反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入端口相互隔離,增益范圍可由內(nèi)部電流預(yù)置,也可由設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的外界增益電阻選擇。

儀表放大器的基本結(jié)構(gòu)是兩級(jí)差分放大電路[9]，如圖2所示。其中,運(yùn)放O1,O2的方式均為同相差分信號(hào),由于采取了同相信號(hào)的方法,進(jìn)入信號(hào)電壓較高,因而集成電路中對(duì)微弱輸入信息的減弱作用較小;通過(guò)差分輸入的方法,共模信號(hào)被擴(kuò)大,而差模信息加大,使輸入輸出形成了最大的差模信息和共模信號(hào)之間的幅值比(即共模控制比CMRR)。就如此,在帶有運(yùn)放O3的輸出級(jí)差和分放大系統(tǒng)中,在相同共?？刂票鹊那闆r下,電阻R3和R4,以及射頻電阻和R5的精度匹配條件大大降低。因而,儀表放大電路就比普通的差分放大電路具備了較好的共?？刂乒δ堋?/p>

圖2 儀表放大器典型結(jié)構(gòu)

儀表放大器的作用是對(duì)電路進(jìn)行控制和誤差校正，但不是輸出電路的一部分。因此，三極管Q1和Q2可以替換為更大功率的三極管，以實(shí)現(xiàn)更高的電流輸出。

此外,還可將儀表放大器的增益設(shè)置至1～10000左右的任意增益，不同增益適用于不同的輸入電壓信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，通常,在儀表放大回路的RG端通過(guò)簡(jiǎn)單的跨接電阻,就能夠達(dá)到所需要的增益。

圖1所示電路圖中，推挽電路由兩個(gè)三極管組成，這兩個(gè)三極管的基級(jí)連接到一起，其中NPN三極管上拉到+15V，PNP三極管下拉到-15V。不同輸入電壓，推挽電路接通不同的三極管，三極管導(dǎo)通后通過(guò)輸出電阻將電壓轉(zhuǎn)換為電流。不同的輸入電壓結(jié)合不同的輸出電阻，最終的電流輸出值通過(guò)這種方式被控制在一定范圍內(nèi)，同時(shí)，由于三極管的最大過(guò)流屬性，外部負(fù)載的大小是有限制的。

下面對(duì)圖1所示電路原理具體分析：

電阻RG1和RG2用于配置U1、U2的放大倍數(shù)，假定將兩個(gè)儀表放大器的放大倍數(shù)分別配置為A1，A2，則：

文獻(xiàn)[3]中，配置A1=A2=1，因此：

2 感性負(fù)載下仿真分析

令該電流源電路驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載Rload和Lload，在Saber中搭建仿真模型，進(jìn)行仿真分析。

首先對(duì)儀表放大器進(jìn)行選型。AD620也是一種兼顧成本與精確度的專用放大器,通過(guò)設(shè)定一個(gè)外部電流來(lái)調(diào)整增益范圍,增益范圍可設(shè)定在1～10000。AD620由傳統(tǒng)的三運(yùn)放架構(gòu)擴(kuò)展而來(lái),但由于其供電設(shè)計(jì)較一般的三運(yùn)放架構(gòu)更大,且設(shè)計(jì)容量也更小,因此耗電量較小(不超過(guò)1.3mA),更適合于低電壓低功耗的使用環(huán)境。

AD620的單片設(shè)計(jì)和激光晶體控制,使得集成電路器件密切地配合與追蹤,并保持了集成電路內(nèi)在的高性能。AD620采用三運(yùn)放組合的儀表放大單元,可保證增益調(diào)節(jié)的精確,其進(jìn)口端的三極管供給單一的差分或雙極輸入,同時(shí)采用β技術(shù)可以得到較小的進(jìn)口偏置電壓,并且利用輸入級(jí)的OP放大器的反饋,從而維持了進(jìn)口三極管的集電極流量不變,同時(shí)可以將輸入電流加在外部增益的輸入電流RG上。

另外,AD620也具有良好的通訊功能,非常適合在多路復(fù)用的場(chǎng)合中[10]。在增益為100時(shí)，AD620的信號(hào)帶寬仍能達(dá)到120 kHz。因此，文中選用了高性價(jià)比的儀表放大器AD620。本文將外部電阻RG1、RG2均設(shè)置為開路，配置兩個(gè)儀表放大器AD620的增益為1。

本文擬對(duì)-20～20mA 電流輸出的電流源電路進(jìn)行分析，選取推挽電路中的三極管Q1、Q2時(shí)，需考慮通過(guò)電流的能力，并有一定余量。

電路參數(shù)選擇如表1所示。

表1 電路參數(shù)選擇

2.1 穩(wěn)定性分析

繪制出該電路Bode圖，從圖3中可以看出在10Ω，1mH的負(fù)載下，系統(tǒng)幅值裕度約為14dB，相角裕度約為10°，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

圖3 Bode圖

2.2 階躍響應(yīng)分析

給定Uref在1ms時(shí)由0變?yōu)?V（對(duì)應(yīng)輸出應(yīng)從0mA變?yōu)?0mA），仿真步長(zhǎng)為1μs，仿真時(shí)長(zhǎng)2ms，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖4所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)輸出有較大超調(diào)（5.27mA），且系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)100μs后重回穩(wěn)定20mA。

圖4 階躍響應(yīng)

通過(guò)對(duì)該電路在感性負(fù)載下的穩(wěn)定性分析可以看出，該電路穩(wěn)定性較好；通過(guò)對(duì)該電路的階躍響應(yīng)分析可以看出，該電路有較大的超調(diào)，輸出電流設(shè)定為20mA的條件下，超調(diào)超過(guò)了5mA，即25%，超調(diào)是衡量調(diào)節(jié)品質(zhì)的一個(gè)量，超調(diào)反映的是控制系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)前控制作用最差的結(jié)果。因此，需要采取措施對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化校正。

3 校正措施研究

在輸出端并聯(lián)校正電阻RB與校正電容CB，如圖5所示，在不改變電路原穩(wěn)定性的條件下，調(diào)節(jié)參數(shù)以期獲得更強(qiáng)的快速性，消除超調(diào)。

圖5 電路校正措施

經(jīng)過(guò)參數(shù)整定，當(dāng)校正電阻RB為100Ω，校正電容CB為1μF時(shí)，系統(tǒng)消除了超調(diào)，同時(shí)擁有良好的快速性，90μs達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，如圖6所示，Iout-1表示校正之前的輸出電流波形，Iout-2表示校正后的輸出電流波形。

圖6 校正前后階躍響應(yīng)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了一種支持-20～20mA 電流輸出的高精度電流源的工作原理，結(jié)合Saber仿真軟件，根據(jù)該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性但是階躍響應(yīng)超調(diào)過(guò)大的結(jié)果，提出一種校正方案。仿真結(jié)果表明，校正方案可以消除超調(diào)，增強(qiáng)了此高精度電流源的實(shí)用性。