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微安級數控恒流源的設計

2015/7/23 0:51:59??????點擊:


微安級數控恒流源的設計
    
摘要:微安級恒流源電路在精密智能儀器和微傳感檢測技術中有廣泛的應用。本文在分析了微安級數控恒流源的電路結構和工作原理的基礎上,指出了存在的問題,提出了改進方法,給出了具體的設計電路,該設計在實際工程應用中有較高的參考價值。
關鍵詞:微安級恒流源;閉環反饋;儀表放大器
    恒流源在各種測量電子電路和傳感器電子電路中應用廣泛,是開關電源、信號檢測和功率放大等場合中不可替代的測試單元。微安級數控恒流源更是廣泛地應用于智能儀器和先進檢測技術中。與一般的恒流源電路相比,微安級恒流源輸出電流小,更易受到電路中紋波和噪聲的影響,在器件選擇和電路設計方面尤其要注意高精度和高阻抗。正是由于這些特點,微安級恒流源的電路設計方法與普通的恒流源電路有所區別。
1 微安級數控恒流源的一般設計方法
    雖然恒流源的電路形式各種各樣,但是其電路結構基本一樣,都是基于閉環反饋的思想,反饋的形式主要有晶體管反饋、場效應管反饋、并聯穩壓器反饋、運算放大器反饋等。數控恒流源的一般結構框圖如圖l所示,根據所需的恒流電路的電流值,系統首先通過微處理器計算出對應的電壓值,由DA轉換環節輸出電壓,經過濾波電路的處理,和誤差放大、功率放大、電流檢測比較放大以及電壓電流轉換等環節,在負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算放大器作為負反饋的誤差放大器,以晶體管或場效應管作為功率放大器件,從而形成閉環反饋電路。微安級恒流源電路的設計也是基于這種閉環反饋的思想,所不同的是由于在功率放大環節使用的晶體管或場效應管都有數微安或者數十微安的漏電流,會影響電路的精度,遠超過微安級電路所允許的誤差范圍。而一般運放的輸出帶載能力都能達到數毫安或者數十毫安,能滿足微安級恒流源電路所需的輸出要求。因此在微安級恒流源中無需采用功率放大器件,而直接使用運放向負載電阻輸出電流。即運放既起到誤差放大器的作用,又起到功率放大器的作用。如此設計不僅能滿足要求,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恒流源電路。DA轉換器輸出給定電壓后,經R1和C1組成的低通濾波器送入運放同相輸入端,運放輸出端接負載,電流采樣電阻R3將輸出電流轉換為電壓,進入運放的反向輸入端構成負反饋。圖中R3為采樣電阻,需采用初始精度高、溫度漂移系數低的精密電阻。
    下面舉例說明元器件參數的選擇,如需要設計0~10 μA的數控電流源,所選DA轉換器的參考電壓為2.5V,即DA轉換器的最大輸出電壓Vmax為2.5V,在此電路中,應該對應最大的輸出電流Imax為10 μA,根據運放“虛短虛斷”的原則,R3的值應由式(1)確定。
    
    因此R3應取250k Ω。
2 差分電路在微安級恒流源電路中的應用
    圖2所示的微安級恒流源電路,簡單可靠,但存在兩個問題。a.運放反向輸入端的偏置電流會影響電路的精度,尤其是對于微安級的電路影響很大。因此必須選用偏置電流較小的運放,如FET型的運放。b.在此電路中,負載沒有共地。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生電壓,此電壓將以地電平噪聲的形式出現在系統的所有地節點上,這樣將嚴重影響模擬電路的精度甚至會導致系統數字電路的誤動作。 
    為了使電路的應用更為廣泛,可以采用圖3所示的電路結構。




    此電路通過差分放大器的拓撲形式解決了恒流源負載不共地的問題,負載是接在輸出與地線之間。在此電路中,由于采用了差分結構,因此需慎重選擇電阻,其中Rl和R2,R3和R4,R5和R6分別相等,如果這三對電阻選得不對稱,將會嚴重影響輸出電流的精度。通過運放“虛短虛斷”的原則,可以計算出在此電路中DA轉換器輸出lV的電壓對應恒流源電路的輸出電流為10 μA。
3 運用儀表放大器設計微安級恒流源電路
    差分放大型電路雖然解決了恒流源負載不共地的問題,但電路結構較復雜,而且由于使用了三對大阻值精密電阻,器件難以購買,使得電路的成本大大提高,通用性降低。但是,可以基于上述電路思想,運用新型運算放大器設計出簡單廉價的高精密微安級數控恒流源。圖4所示電路是采用儀表放大器INAll8結合運放設計出的高精密微安級數控恒流源。




    INAll8是美國B-B公司生產的精密儀表放大器,具有精度高和共模抑制比高的優點,適合對微小信號進行不失真的放大。INAll8由三個運算放大器組成差分放大結構,其內部結構圖如圖5所示。




    其中運放A1、A2的作用是為了提高放大器的輸入阻抗和提供放大(其放大倍數由Rg決定),Al、A2分別對Vin-和Vin+進行電壓跟隨,A3和4個60k Ω的電阻組成差分放大器。
    在圖4所示電路中,根據運放“虛短虛斷”的原則,負載電阻R2上流過的電流值由式(2)計算得出。
    
    電路中Rg的穩定性和溫度漂移對增益有影響,應采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻,OPA盡量采用高阻抗運算放大器,以減小偏置電流所帶來的誤差。如選用普通的運放OPAl77,Ib的誤差達到±15nA;選用高速精密運放OPA602,Ih的誤差降為±1pA;選用靜電計級運放OPAl28,Ih的誤差僅為±75fA。
4 小結
    INA118通過內部集成的六個精密電阻與運放組成差分放大結構,解決了元器件選擇困難,電路成本高的問題。整個電路結構也解決了恒流源負載不共地的問題,在微弱信號采集和處理等實際工程應用中具有較高的實用價值。

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