微安級(jí)數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)

摘要：微安級(jí)恒流源電路在精密智能儀器和微傳感檢測(cè)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。本文在分析了微安級(jí)數(shù)控恒流源的電路結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，指出了存在的問題，提出了改進(jìn)方法，給出了具體的設(shè)計(jì)電路，該設(shè)計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用中有較高的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：微安級(jí)恒流源；閉環(huán)反饋；儀表放大器

恒流源在各種測(cè)量電子電路和傳感器電子電路中應(yīng)用廣泛，是開關(guān)電源、信號(hào)檢測(cè)和功率放大等場(chǎng)合中不可替代的測(cè)試單元。微安級(jí)數(shù)控恒流源更是廣泛地應(yīng)用于智能儀器和先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)中。與一般的恒流源電路相比，微安級(jí)恒流源輸出電流小，更易受到電路中紋波和噪聲的影響，在器件選擇和電路設(shè)計(jì)方面尤其要注意高精度和高阻抗。正是由于這些特點(diǎn)，微安級(jí)恒流源的電路設(shè)計(jì)方法與普通的恒流源電路有所區(qū)別。

1 微安級(jí)數(shù)控恒流源的一般設(shè)計(jì)方法
雖然恒流源的電路形式各種各樣，但是其電路結(jié)構(gòu)基本一樣，都是基于閉環(huán)反饋的思想，反饋的形式主要有晶體管反饋、場(chǎng)效應(yīng)管反饋、并聯(lián)穩(wěn)壓器反饋、運(yùn)算放大器反饋等。數(shù)控恒流源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示，根據(jù)所需的恒流電路的電流值，系統(tǒng)首先通過微處理器計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電壓值，由DA轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)輸出電壓，經(jīng)過濾波電路的處理，和誤差放大、功率放大、電流檢測(cè)比較放大以及電壓電流轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，在負(fù)載電阻所在回路輸出恒定的電流。

精密的恒流源電路多是使用運(yùn)算放大器作為負(fù)反饋的誤差放大器，以晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管作為功率放大器件，從而形成閉環(huán)反饋電路。微安級(jí)恒流源電路的設(shè)計(jì)也是基于這種閉環(huán)反饋的思想，所不同的是由于在功率放大環(huán)節(jié)使用的晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管都有數(shù)微安或者數(shù)十微安的漏電流，會(huì)影響電路的精度，遠(yuǎn)超過微安級(jí)電路所允許的誤差范圍。而一般運(yùn)放的輸出帶載能力都能達(dá)到數(shù)毫安或者數(shù)十毫安，能滿足微安級(jí)恒流源電路所需的輸出要求。因此在微安級(jí)恒流源中無需采用功率放大器件，而直接使用運(yùn)放向負(fù)載電阻輸出電流。即運(yùn)放既起到誤差放大器的作用，又起到功率放大器的作用。如此設(shè)計(jì)不僅能滿足要求，也能減小由于功率放大引起的誤差和功率損耗，提高電路的精度和效率。

圖2所示為典型的微安級(jí)恒流源電路。DA轉(zhuǎn)換器輸出給定電壓后，經(jīng)R1和C1組成的低通濾波器送入運(yùn)放同相輸入端，運(yùn)放輸出端接負(fù)載，電流采樣電阻R3將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)入運(yùn)放的反向輸入端構(gòu)成負(fù)反饋。圖中R3為采樣電阻，需采用初始精度高、溫度漂移系數(shù)低的精密電阻。
下面舉例說明元器件參數(shù)的選擇，如需要設(shè)計(jì)0～10 μA的數(shù)控電流源，所選DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓為2．5V，即DA轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓Vmax為2．5V，在此電路中，應(yīng)該對(duì)應(yīng)最大的輸出電流Imax為10 μA，根據(jù)運(yùn)放“虛短虛斷”的原則，R3的值應(yīng)由式(1)確定。

因此R3應(yīng)取250k Ω。

2 差分電路在微安級(jí)恒流源電路中的應(yīng)用
圖2所示的微安級(jí)恒流源電路，簡(jiǎn)單可靠，但存在兩個(gè)問題。a．運(yùn)放反向輸入端的偏置電流會(huì)影響電路的精度，尤其是對(duì)于微安級(jí)的電路影響很大。因此必須選用偏置電流較小的運(yùn)放，如FET型的運(yùn)放。b．在此電路中，負(fù)載沒有共地。由于在地線上串入了電阻，流入地電平的電流將在取樣電阻上產(chǎn)生電壓，此電壓將以地電平噪聲的形式出現(xiàn)在系統(tǒng)的所有地節(jié)點(diǎn)上，這樣將嚴(yán)重影響模擬電路的精度甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)數(shù)字電路的誤動(dòng)作。