高性能雙端電流源的實(shí)現(xiàn)

電流源設(shè)計(jì)是一個(gè)比穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)更難的挑戰(zhàn)。兩端電流源會(huì)帶來(lái)了一系列的新問(wèn)題，尤其是當(dāng)溫度變化時(shí)依然希望獲得高精度和穩(wěn)定性時(shí)。電流源必須在一個(gè)寬電壓范圍內(nèi)工作，并能在與未知電抗串接時(shí)呈現(xiàn)高DC阻抗和AC阻抗，另外還需具有良好的調(diào)節(jié)性能和溫度系數(shù)。就最佳的兩端解決方案而言，不應(yīng)該使用電源旁路電容，因?yàn)樗鼤?huì)降低AC阻抗。

使用耗盡型FET的傳統(tǒng)解決方案在電流和溫度系數(shù)方面具有較寬的可變性。圖1所示是一個(gè)具有兩個(gè)晶體管、兩個(gè)齊納二極管的兩端電流源。它提供的兩端電流尚可，但卻只有百分之幾的精度。該電路工作于開(kāi)環(huán)，因此不能提供閉環(huán)反饋電路那樣的精度。因?yàn)辇R納二極管的溫度系數(shù)與晶體管不能很好地匹配，所以基于齊納二極管和晶體管的基射極電壓VBE的變化，該電路會(huì)出現(xiàn)漂移和誤差。此外，該電路兩端需要最低約 3V的電壓以正常工作。而諸如LT1004等齊納二極管(實(shí)際上是一個(gè)IC)降低了最低工作電壓。

LT3092克服了傳統(tǒng)兩端電流源的一系列問(wèn)題，為設(shè)計(jì)人員增加了一個(gè)多功能的選擇。通過(guò)使用一個(gè)單元或并聯(lián)單元，電流源能夠提供1mA低至更大的電流值。就電壓、負(fù)載和溫度進(jìn)行的調(diào)節(jié)而言是相當(dāng)不錯(cuò)的，即使在器件內(nèi)部有復(fù)雜反饋電路時(shí)獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法也允許器件無(wú)需旁路電容器而進(jìn)行工作。

圖1 兩端電流源

LT3092具有較好的初始精度和非常低的溫度系數(shù)。輸出電流可以設(shè)置在0.5mA至200mA范圍內(nèi)。電流調(diào)節(jié)典型值為10ppm/V。LT3092在低至1.5V或高達(dá)40V時(shí)工作，它在1mA時(shí)提供100MΩ阻抗，在100mA時(shí)則為1MΩ。與其它大部分的模擬IC不同，專用設(shè)計(jì)技術(shù)已被用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)電源旁路電容的穩(wěn)定工作，從而允許它提供高AC阻抗和高DC阻抗。

圖 2 LT3092兩端電流源

圖2顯示了LT3092穩(wěn)流器的基本原理框圖，其架構(gòu)非常類似于LT3080穩(wěn)壓器，但是它使用一個(gè)PNP晶體管作為輸出電路。內(nèi)部電路是微分且?guī)Ь彌_的，具有一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)隔離以使其免受電源變化的影響。這種隔離允許穩(wěn)定工作而無(wú)需旁路電容器。此外，就可使電源反向的環(huán)境而言，LT3092可以避免反向電源電壓引起的損壞，而且不傳導(dǎo)電流，從而保護(hù)了負(fù)載。

內(nèi)部電流源和放大器偏移是為了實(shí)現(xiàn)100dB或更好的電源變化抑制效果，因此其調(diào)節(jié)性能非常好。把RSET降至0Ω也將使輸出調(diào)低至0V。

一個(gè)小的電壓加在一個(gè)20kΩ的外部設(shè)置電阻上，以產(chǎn)生一個(gè)200mV的基準(zhǔn)。這使決定電流的電阻R兩端的電壓為200mV ，那么總電流就等于0.2V除以R(10μA)。該穩(wěn)流器在兩端電壓大約為1.5V至36V時(shí)工作，而且穩(wěn)流性能和溫度穩(wěn)定性都極好。作為一個(gè)兩端電流源，其負(fù)載可以在電路的正向支路中，也可以在對(duì)地支路中。

200mV的基準(zhǔn)電壓，將會(huì)對(duì)由于內(nèi)部電流源變化和放大器偏移隨電源電壓變化而產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。隨著電源變化，內(nèi)部電流源的變化大約為50pA/V。內(nèi)部運(yùn)算放大器偏移的變化則少于5μV/V。假定電流源和放大器偏移都為最壞情況，使用一個(gè)200mV基準(zhǔn)使放大器和內(nèi)部電流源對(duì)產(chǎn)生的誤差相同。如果通過(guò)使用一個(gè)50kΩ的電阻，將 200mV提高到500mV，那么內(nèi)部運(yùn)算放大器的偏移將減小。這改善了電流源相對(duì)于電源變化的穩(wěn)定性。不過(guò)，回路的調(diào)節(jié)相當(dāng)不錯(cuò)，一般情況下設(shè)置電阻的兩端電壓在100mV至200mV范圍都是很合適的。

設(shè)置電阻還允許減輕微調(diào)總電流的負(fù)擔(dān)。如果這個(gè)電路用在100mA的大電流情況，由于電阻R的值很小，微調(diào)電流會(huì)很難。不過(guò)20k電阻總是非常容易調(diào)節(jié)，以設(shè)置電流值到想要的水平。圖3顯示了啟動(dòng)時(shí)間，而圖4顯示在1mA輸出電流值時(shí)電流源隨溫度的變化。

圖3 達(dá)到1mA的啟動(dòng)時(shí)間不到20μs

圖4 基準(zhǔn)電流隨溫度的變化

提升電壓一致性

就更高電壓而言，電流源可以疊加，以能在更高的總電壓時(shí)工作。圖5顯示了疊加電流源。

圖 5 電流源疊加以實(shí)現(xiàn)更高工作電壓

針對(duì)相同的電流設(shè)立了兩個(gè)電流源，并在每個(gè)電流源的兩端布設(shè)一個(gè)限壓齊納二極管。在低電壓條件下，遞增更快的電流源將發(fā)生飽和，電流這時(shí)將交由另一個(gè)電流源來(lái)控制。當(dāng)電壓逐漸增加，齊納二極管會(huì)被啟動(dòng)并開(kāi)始傳導(dǎo)電流。接著，飽和電流源兩端的電壓開(kāi)始增加。而且，它將在電壓繼續(xù)增加的過(guò)程中調(diào)節(jié)電流。當(dāng)電流控制從一個(gè)電流源移至另一個(gè)電流源時(shí)，在輸出電流上的不連續(xù)性相當(dāng)于兩個(gè)電流源間的誤差。這通常小于1%，而且同樣無(wú)需旁路電容來(lái)使器件正常工作。

就較大設(shè)置電流和高電壓而言，LT3092的功耗相當(dāng)大。例如，30V和100mA相當(dāng)于3W功耗，視乎PC板的熱阻的不同，這可能引起溫度極大地上升。一個(gè)外部電阻可以轉(zhuǎn)移部分功率到其身上，并降低LT3092中的功耗。圖6顯示從該器件的輸入至輸出有一個(gè)電阻RX的基本電流源。只要總電流高于通過(guò)RX的電流，就不會(huì)影響穩(wěn)定狀態(tài)，而且該電流源的阻抗就不會(huì)變化。通過(guò)RX的電流在反饋回路內(nèi)，而且隨電壓從輸入到輸出的變化而得到補(bǔ)償。該電流流經(jīng)內(nèi)部PNP晶體管或外部電阻，而反饋回路保持總電流恒定。

為了實(shí)現(xiàn)良好調(diào)節(jié)并具有合理的裕度，就該器件在最大電壓時(shí)而言，經(jīng)過(guò)RX的電流不應(yīng)該大于所需電流的90%。圖中的公式顯示如何選擇RX，以便流經(jīng)RX的電流始終至少為流經(jīng)LT3092電流的10%。通過(guò)將一些功率轉(zhuǎn)移到外部電阻上，降低了最大內(nèi)部功率。這極大地降低了器件中的功耗，并減小了溫度上升幅度。該外部電阻的引入，對(duì)電路性能的影響微乎其微。

圖 6 具功率轉(zhuǎn)移電阻的 100mA 兩端電流源。

如果需要更大的輸出電流，電流源可以直接并聯(lián)?？梢允褂脙蓚€(gè)LT3092(有或沒(méi)有功率轉(zhuǎn)移電阻)，并將其直接并聯(lián)，以得到兩倍的輸出電流。圖7顯示一個(gè)以兩端工作的300mA電流源。

圖7 具功率轉(zhuǎn)移電阻的并聯(lián)電流源

圖8顯示了另一種并聯(lián)器件的方法。由于它需要的外部元件更少，因此可能是一種并聯(lián)多個(gè)器件以獲取大電流的更佳方法。在這種情況下，設(shè)置引腳連在一起，這使得穩(wěn)流器的輸出引腳相互之間相差在幾毫伏之內(nèi)。然后，穩(wěn)流器輸出為流經(jīng)40mΩ穩(wěn)流電阻之和，從而實(shí)現(xiàn)電流共享。這些電阻器通常編排在貼裝器件的一小塊PCB上。接著，我們就通過(guò)使用一個(gè)100kΩ的設(shè)置電阻，將電壓降從200mV提高到1V。這樣是為了最大限度地降低溫度系數(shù)對(duì)印刷電路走線穩(wěn)流電阻的影響。

圖8 并聯(lián)電流源以擴(kuò)散熱量并實(shí)現(xiàn)更大的輸出電流

這些由銅線組成的穩(wěn)流電阻的兩端壓差大約為8mV。銅線的溫度系數(shù)為每度0.3%，而這將影響整個(gè)電流源的溫度系數(shù)。將基準(zhǔn)電壓從200mV提高到1V將使穩(wěn)流電阻上的電壓所占比例更小，而且就100℃的溫度變化而言，這種影響將從大約1% 降低到0.2%。

將輸出電流提高到400mA以上僅需一個(gè)額外的并聯(lián)器件和一個(gè)穩(wěn)流電阻，因此就大電流而言，這最大限度減少了器件數(shù)量。在高壓時(shí)，我們通過(guò)RX分流IC周圍的部分電流以降低器件功耗。

電流源可以驅(qū)動(dòng)任何類型的負(fù)載。既然該器件實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的集成電路，那么負(fù)載阻抗可能對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生影響，并引起一些不穩(wěn)定性。盡管為了使該器件驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載時(shí)都是穩(wěn)定而做出了很大努力，但是不穩(wěn)定性可能依然存在。

使該器件穩(wěn)定其實(shí)很容易?？梢圆迦胍粋€(gè)電阻與穩(wěn)流器串聯(lián)，或者在器件的Vin和Vout兩端跨接電容器(基本上是一個(gè)旁路電容器)或串聯(lián)RC。這給該器件一個(gè)已知的阻抗，使它在遇到未知阻抗時(shí)能夠穩(wěn)定。與舊式調(diào)節(jié)元件不同，該電容器可以非常小。

存在尖峰電壓、噪聲或射頻的惡劣線路環(huán)境，將為噪聲和尖峰提供一個(gè)旁路，從而保護(hù)穩(wěn)流器的內(nèi)部電路。就穩(wěn)定性而言，可以使用低至1,000pF的電容。不過(guò)也可以使用0.01μF至1μF的電容。值得注意的是，有些陶瓷電容器具有非常高的電壓系數(shù)，能夠隨著電壓變化而從5改變至1。

電容在低頻時(shí)不影響電流源的阻抗，因?yàn)橄裢獠侩娮?RX一樣，它也處于反饋回路內(nèi)部。就器件兩端的AC變化而言，電流流經(jīng)電容或LT3092的內(nèi)部晶體管，因此阻抗不變。而在高頻時(shí)，由于LT3092在帶寬之外運(yùn)行，阻抗相對(duì)于LT3092而言是呈容性的。

就工作時(shí)存在極大電壓變化的負(fù)載而言，通過(guò)電容器的電流必須低于編程電流。否則當(dāng)高于編程電流的電流經(jīng)過(guò)電容時(shí)，回路就會(huì)損壞。器件可以容許的電壓變化率率如圖9所示，而且依然是約90%的電流流經(jīng)電容，而不會(huì)影響LT3092電流源的阻抗。例如，在器件兩端設(shè)置1mA負(fù)載和1μF電容的情況下，該電路將容許1000V/s的電壓變化率。電容、電壓變化率以及電流的其它影響可以非常容易地計(jì)算出。

圖9 電壓變化電路

LT3092也可充當(dāng)一個(gè)無(wú)需輸出電容器的穩(wěn)壓器。“本質(zhì)安全”應(yīng)用常常用低電流與小電容(或不用電容器)來(lái)設(shè)計(jì)。圖10顯示了一個(gè)200mA的穩(wěn)壓器。而作為一個(gè)穩(wěn)壓器，在LT3092內(nèi)部產(chǎn)生的10μA電流將流過(guò)一個(gè)外部RSET電阻器。SET引腳上施加的電壓為該10μA電流與RSET阻值的乘積。內(nèi)部電壓跟隨器在輸出引腳提供與設(shè)置引腳相同的電壓。負(fù)載從輸出引腳連接到地。

圖10 “本質(zhì)安全”的穩(wěn)壓器(無(wú)需電容)