高穩定度精密可調恆流源的設計與實現

大三寫的一篇恆流源論文送人了

 

高穩定度精密可調恆流源的設計與實現

摘要：設計了基於場效應管和20位DA芯片的高穩定度精密可調恆流源，可以根據負載變化調整管壓降反饋的補償電路。分析影響恆流源的幾大因素後，對主要模塊通過光耦隔離等手段進行電氣隔離降低數字電路引入的干擾，對220V供電電源進行濾波降低電源引入的干擾，通過電壓跟隨器對放大器前後級進行隔離，最後設計出的恆流源帶有輸出穩定度3.6×10 －7 V/h和相對標準差爲3.24202×10-7且可以在0~10V間有任意輸出的基準電壓、穩定度（時間漂移）爲4.2×10 －6 A/h和相對標準差爲1.80361×10-6的0~1A可調可知電流、感性負載自動補償電路以及搭載觸摸屏的友好人機交互模塊。

關鍵詞：恆流源；基準電壓；場效應管

Design and Realization of High stability Precision Adjustable  Constant  Current  Cource

Abstract: The high stability precision adjustable constant current source based on field effect tube and 20 DA chips is designed, which can adjust the compensation circuit of the feedback according to load change. After the analysis of several factors affecting constant current source, the main module through the optical coupling isolation means of electrical isolation to reduce the interference, introduced the digital circuit, to reduce the interference of power supply by filtering 220V power supply power supply, the amplifier is isolated at the front and back of the amplifier through a voltage follower, the final design of the constant current source with the output stability of 3.6 x 10-7 V/h and relative standard deviation is 3.24202 x 10-7 and can have any between 0 ~ 10 V output reference voltage, the stability of drift (time) of 4.2 x 10-6 A/h and relative standard deviation was 1.80361 x 10-6 0 ~ 1 A, perceptual load automatically adjustable knowable current compensation circuit and friendly human-computer interaction module with touch screen.

Key words：constant current source，voltage reference，field-effect tube

0 引 言 

恆流源是在內部環境和外部負載發生變化時依然可以輸出穩定恆定電流的裝置，它在測控、計量和高精密儀器儀表等廣泛科研領域有着關鍵作用。比如恆流源在高精密度數字多用表中的應用、在串聯補償型透射電子顯微鏡物鏡和高穩定度磁場產生中的應用[1-3]。

本文設計的恆流源在保證穩定度精密度的前提下擴大了電流輸出量程並且可以程控調節幅值，大大增加了它的適應範圍和實用價值。

1介紹

文獻[1]和[4]都給出了包含低噪聲運算放大器的硬件設計圖，並對影響因素進行了分析，文獻[1]受限於當時的輸出基準電壓的芯片技術，精度並不高，同時文獻[4]的電流雖然可調，但輸出範圍只有1~45mA；文獻[2]研究了一款穩定度爲 2×10 －6 /min 串聯補償型透射電子顯微鏡物鏡恆流源，對影響恆流源的因素進行了詳細分析，並沒有完整的設計分析過程而且恆流源的穩定時間不長，只在誤差分析階段對本文設計有很大幫助；文獻[3]通過對大多數基於串聯反饋的傳統恆流源進行分析，在結合衆多文獻理論依據下給出現階段能量天平磁場系統恆流源的設計改進方案，同時也證明了本文串聯反饋電路設計的可行性，但並未涉及到設計原理和誤差分析。

  綜合考慮後，對文獻[5]中提出的方案進行改進是最優選擇。文獻[5]提出了超前補償各種複合噪聲增益的方法，有效解決了並聯mosfet的高寄生電容所帶來的自激振盪並設計了可以消除由電感負載引起的自激振盪的補償網絡，實驗數據也表明其電源的穩定性高於於0.1 ppm/h，但它的短期(1 h)精度只能保證大約0.5 ppm。同時文獻[5]對並聯的mosfet的參數一致性要求嚴格，然而在實際中相同型號的同一批次 MOSFET在器件參數上總會有一定的差異，由此造成的並聯器件之間溫度和電流分配上的不均勻性都會客觀存在[6]，出於客觀條件的限制本文設計只用了一個MOSFET，有效減少了由於極間電容和分佈電容增加造成的功率 MOSFET的寄生震盪，同時輸出較同類產品中的更大的1A可調電流。

圖 1

2 影響因素的改進方法及創新點

 

如圖1所示，ID是漏極電流，RDS是場效應管的近似輸出阻抗，IS是負載電流，考慮到MOSFET中輸出阻抗通常比輸入阻抗小得多，採樣電阻比負載電阻小得多，可以假設開環增益、低頻跨導和RDS特別大而RL、RS、補償電壓、場效應管供電電壓及閾值電壓都足夠小，這樣就能得到負載上的理想電流方程，如式1所示：

IS=UsUs                                                                    （1）

對（1）式左右進行全微分可得dIS=dUsRs-UsRs2dRs           （2） 

將（2）式兩端同時除以IS可得 dISIS=dUsRsIS-USISRs2dRs     （3）

整理（3）式可得dISIS=dUsUs-dRsRs                                 （4）

上式中的dUsUs 、dRsRs 分別是基準電壓Us 和採樣電阻RS的相對變化，即決定恆流源穩定性的主要因素，除此之外噪聲電壓和運算放大器的等效輸入漂移量e也是不穩定的，其穩定性可寫爲deUs 。雖然三者之間沒有存在關聯，但它們需滿足下列關係式：

 dISIS≥dUsUs2+dRsRs2+deRs2                                   (5)

若要滿足設計要求dUsUs =deUs =dRsRs ≤5 . 8×10− 7              (6)

  通過文獻[2]的分析也可知，直接影響因素是基準電壓的穩定性、採樣電阻的變化及放大器自身參數的變化，間接影響因素是調整管的自身參數變化、放大環節的電壓增益變化、主迴路輸入電壓的波動、負載電阻的變化，所以本文在着重解決以上影響因素的過程中提出了自己的解決方案。

  2.1基準電壓

 

表1

在電壓控制電流源（VCCS）中如果要得到穩定度10－6量級的恆流源，基準電壓的穩定度要優於10－6，所以本文在基準電壓的產生中使用了一款20位DA芯片AD5791，其分辨率是1ppm、長期線性穩定性0.19LSB、溫漂小於0.05 ppm/°C。爲了防止在數據傳輸中對穩定性造成二次影響，數控模塊和電壓產生模塊被做成了四部分，分別是可以設置電流值的觸摸屏、進行數據傳遞的光耦電路、接受光耦信號併發送電壓值的89C52單片機以及產生基準電壓的組合電路，這四部分的數字部分和模擬部分都各自經電容去耦接地，去除電源干擾，並進行了電氣隔離避免彼此互相干擾。

 

在實際測量中，若每次測量的條件不盡相同，如儀器、測量方法、環境以及測量人員中任何一項發生明顯變化，都有充分理由認爲n次測量值是不等精度或不等權的測量[7]，而本次實驗數據的採集過程保證了所有影響因素的一致性，所以可以認爲最後得出的實驗結果有較高的可靠程度。

如表1，是通過一個八位半高精度萬用表在給恆流源電池供電和220V經變壓器供電兩種情況下測得的基準電壓輸出值。設定輸出電壓爲1V，每隔10秒測一次數，每5分鐘進行一次平均值計算並記錄。

 

圖2

   “變壓器供電（未預熱）”一開始特別不穩定，“變壓器供電1”是220V供電預熱一小時，“變壓器供電2”是220V供電預熱三小時，通過分析圖2可以看出恆流源不同供電方式之間的差別。

 

經計算220V經變壓器給恆流源供電的產生的基準電壓一元線性迴歸方程V=-3×10－8x+1.0061，穩定度是3.6×10-7 V/h，直接電池供電產生的基準電壓一元線性迴歸方程是V=-4×10－8x+1.0061，穩定性是4.8×10 －7 V/h（默認選取最穩定的一小時），理論上應該是電池電源更純淨更穩定，實際測量時發現在恆流源在220V下預熱兩小時後其穩定性和未預熱的電池供電輸出電壓的穩定性相差無幾。雖然變壓器供電的基準電壓穩定性受限於供電電路上的用電情況，本文設計結合以上數據從便攜實用和安全性方面考慮還是採用了220V供電，並在220V電源上加了一個濾波器最大限度減少外界環境對基準電壓穩定性的影響。

  2.2採樣電阻

  受控（電）源又稱“非獨立”電源，受控電壓源的激勵電壓或受控電流源的激勵電流與獨立電壓源的激勵電壓或獨立電流的激勵電流有所不同，後者是獨立量，前者則受電路中的某部分電壓或電流控制[8]。本文設計使用的電壓控制電流源（VCCS）模型正是前者，所以要使輸出電流恆定必須使串聯負載的線路上的電壓處於一定規律的動態變化，進而補償各種影響因素帶來的變化，對這一動態變化起明顯引導作用的就是採樣電阻上的電壓

  由焦耳定律可知，電阻阻值越大其熱效應越強，在恆流源的設計中，熱效應強不僅會增加功耗更會增加系統的不穩定性，所以採用了低負載係數的採樣電阻。在公式（4）中可以看出採樣電阻的穩定性同樣重要，本文在綜合比較後採用了由鎳鉻系列緊密電阻合金製成的高精密合金箔電阻器，其應用電阻應變原理設計，具有自動補償電阻溫度係數的功能，在穩定性達到要求的前提下省去了傳統採樣電阻的退火老化和功率老化等繁瑣過程，大大縮短了生產週期。

  在電阻出線端子的設計上採用了四端接線法，將放大器在採集反饋電壓過程中產生的熱效應降到最低，進而保持採集到的電壓真實有效。同時在採樣電阻的前面，即調整管源極和採樣電阻之間串聯了一個相同參數的測試電阻，可以通過測試電阻上的電壓值時時檢測輸出電路上的電流值，大大方便了前期數據的採集，而且在搭載負載的時候這種設計使測量操作幾乎不對電路穩點性產生影響。

  2.3放大器

  理想集成運算放大器的技術指標是開環差模電壓增益無窮大、差模輸入電阻爲0、共模抑制比無窮大、輸入偏置電流爲0輸入失調電壓和失調電流及它們的溫漂爲0[9]，從這幾方面分析本文采用了OPA277精密運算放大器： 10μV失調電壓、±0.1μV/°C的溫度漂移、134 dB的高開環增益、140 dB的高共模抑制和最大1nA的低偏置電流，並且沒有相位反轉和其它運算放大器中出現的過載問題，具有穩定的單位增益。

圖3

  如圖3所示，本文設計採用了兩個OPA277組成的放大器模塊，前者作爲電壓跟隨器，後者是比較放大器。電壓跟隨器屬於同向輸入電路，有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，而比較放大器屬於差分輸入電路，其輸入電阻不高[9]。兩個運放電路串聯的好處是高輸入阻抗的電壓跟隨器相當於把電路前後級斷開，起到了“隔離”的作用，使後級電路在進行基準電壓和反饋電壓的比較時不會因爲負載的突然變化影響到前級電路，即基準電壓的穩定性。理想恆流源的內阻無限大，這樣電流才能儘可能多的輸出到負載上，兩個運算放大器的串聯一定程度上增加了恆流源的內阻進而提高了電源的恆流保持能力。電路設計時還在電壓跟隨器、反饋電壓端等多個地方設置了測試點，便於調試和數據採集。

2.4調整管

調整管可以選擇三極管和場效應管，三極管中參與導電的有多數載流子和少數載流子兩種載流子，而場效應管只有一種極性的載流子，即多數載流子參與導電[9]，多數載流子穩定係數優於少數載流子並且場效應管是利用電場效應控制電流，所以場效應管穩定性更好。又考慮到大功率三極管的穿透電流較大且受溫度、輻射等影響大等不利因素，初步選擇使用場效應管作爲調整管。

理論上場效應管的阻抗越大其消耗的電流越小，功耗越小，但是從傳統場效應管的轉移特性曲線上可以看出，在漏源電壓不變的情況下，隨着漏極電流的增加，場效應管的低頻跨導gm越來越大，從另一個角度來講就是要想恆流源有更大的輸出電流ID，漏源電壓VGS和閾值電壓VT幾乎不變，只有低頻跨導gm越大越好，即漏極電流越大越好，而漏極電流變大將會使大電阻的MOSFET消耗更大的能量產生更多的熱量進而破壞MOSFET和附近其它元器件的穩定性，所以場效應管在選擇上不能一味追求高輸入阻抗，還要考慮到高阻抗帶來的不穩定性。

結型場效應管的電阻可達107Ω以上，而絕緣柵型場效應管電阻可達109 Ω以上，本文設計選擇後者。在型號選擇上，本文從噪聲漂移、阻抗和低頻跨導的特性曲線綜合考慮選擇了N溝道絕緣柵型場效應管IRFP460，其最大漏源電壓爲500V，最大漏極電流爲20A，RDS小於0.27Ω。作爲系統最大的產熱模塊，設計中將調整管增加散熱片後放在最外緣，並在兩邊增添小型風扇加快散熱，保證系統的穩定性。

 

3 穩定性測試數據

表2

  上表2所示是用一臺八位半萬用表和一臺七位半萬用表分別同時測恆流源輸出電流（測試電阻電流）和基準電壓所得數據。設定輸出電流爲1A，每隔10秒測一次數，間隔一分鐘計算平均值並記錄在表，以上數據是在恆流源搭載一個3Ω電阻情況下，預熱三小時後正常工作的三個小時內的最穩定的一小時時間內的數據。

 

 

圖4

如圖4通過計算這種情況下的擬合曲線方程，得出基準電壓穩定性爲6×10 －7 V/h，比不接運算放大器時3.6×10 －7 V/h的穩定性大了大概兩倍，但短期穩定性達到了2.7×10 －7 V/30min，考慮到萬用表自身的不穩定性可見運算放大器後級電路對前級電路有所影響但影響有限；電流穩定性達到了4.2×10 －6 A/h，相對標準差爲1.80361×10-6，短期時間穩定性更是達到了1.8×10 －6 A/30min，達到10 －6量級/h的預期要求。

 

4 結束語

  本文設計通過對原有高精度穩定恆流源方案的分析，進一步提出了對於影響穩定度因素的改進方法，設計出由場效應管和運算放大器構成的高穩定度串聯補償型恆流源；藉助於集成芯片技術和其它核心技術的突破，比如低負載係數電阻，在關鍵元器件選型方面將系統穩定性提高了一個層次；通過對兩個高精度數字萬用表測得的大量數據的分析，將恆流源的穩定性時間曲線用經驗法則的方式總結出來；使用220V供電電源，更加方便，但此基礎上穩定度仍然比1×10 －6 A/h大一些，並且復現性方面也不盡人意，這些方面都有待改進。

 

[1] 徐猛，李智.恆流源在高精度數字多用表中的設計與實現［J］.電測與儀表，2009，46（521）：72-75.

[2] 黨玉傑,董全林，孫茂多，等．高穩定度恆流源的研究與影響因素分析［J］,電源技術，2016，40(4) : 865-868．

[3] 王農，韓冰，李正坤，等.高穩定度磁場穩流源綜述［J］． 電測與儀表，2012，49( S1) : 95-97．

[4] 米衛衛，楊風，徐麗麗，等. 高精度恆流源的設計與製作［J］.電子測試，2012，12: 65-71．

[5] Nong Wang, Zhengkun Li, Zhonghua Zhang, Qing He, Bing Han, and Yunfeng Lu,“A 10-A High-Precision DC Current Source With Stability Better Than 0.1 ppm/h”,  IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 64, no. 6, pp. 1324–1330,Oct. JUNE 2015

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[7] 李金海.  誤差理論與測量不確定度評定[M].  北京:  中國計量出版社, 2003. 191-194.

[8] 邱關源，羅先覺.   電路[M].   北京：高等教育出版社，2006. 18-19.

[9] 楊素行.  模擬電子技術簡明教程[M]. 北京：高等教育出版社，2006. 10-32，279-286

[10] 可用於電感負載的精密可調恆流源[D]. 韓金鐸.河北大學 2015