1A 高穩(wěn)定度恒流源的試制

1原理

作為精密直流測量系統(tǒng)，高穩(wěn)定度的恒流源的設(shè)計(jì)是十分重要的。本系統(tǒng)采用的是集成運(yùn)放反饋型恒流源電路，它通過負(fù)反饋?zhàn)饔?，便加到比較放大器兩個(gè)輸入端的電壓相等，從而保持輸出電流的恒定[ 1].圖1是反饋型恒流源的電路及方框圖，其中包括高速管理、采樣電阻、基準(zhǔn)電壓、比較放大器等。在要求輸出電流較大、精度較高的實(shí)際應(yīng)用中，采用反饋型恒流源電路是行之有效的方法。

由圖1（a）可知，比較放大器一個(gè)輸入端是基準(zhǔn)電壓Us，另一端是負(fù)載電流I₀ ，采樣電阻Rs的電壓降I₀R_s，若比較放大器兩個(gè)輸入電壓暫時(shí)不等，其電壓值被放大后，加到高速管的柵極（ G）與源極（ S ）之間，從而改變調(diào)整管V_GS的值，由調(diào)整管的轉(zhuǎn)移特性可知： I₀在Rs兩端的壓降也隨著改變，直到比較放大器的兩個(gè)輸入電壓之差等于零，于是

即

由此可見，在理想狀態(tài)下，反饋型恒流源的輸出電流I₀僅由基準(zhǔn)電壓Us和采樣電阻Rs決定，而與輸入電壓U_I和負(fù)載電阻R_L的變化沒有關(guān)系。

2反饋型恒流源輸出電流不穩(wěn)定因素分析

根據(jù)圖1（ a）電路可以推導(dǎo)出輸出電流表達(dá)式如下

其中， U_I—恒流源直流輸入電壓； U₀—恒流源輸出電壓； I₀—恒流源輸出電壓； Us—基準(zhǔn)電壓； r₀—調(diào)整管電路等效輸出電阻； R_S—采樣電阻； K—放大器（包括調(diào)整管）總電壓增益。

為了說明（ 2）式所表達(dá)的物理意義，可將其分解為三部分，即

其中， I₁主要表征輸出電流I₀與基準(zhǔn)電壓Us和采樣電阻Rs間的量值關(guān)系。當(dāng)K很大時(shí)， KRs>>（Rs+r₀)，第一部分可寫成I1= Us/Rs.這是理想恒流源的輸出電流，其值由Us和Rs決定。

I₂主要表征I₀與恒流源直流輸入電壓U_I的量值關(guān)系。當(dāng)滿足KRs>>（Rs+r₀)時(shí)，I₂= Ui/KPs.它實(shí)際反映了恒流源電壓高速率指標(biāo)大小。

I₃主要表征I₀與恒流源輸出電壓（或負(fù)載電阻RL ）之間的量值關(guān)系。在滿足KRs>>（Rs+r₀)時(shí)， I3=U₀/KRs.它實(shí)際上反映了恒流源負(fù)載調(diào)整率指標(biāo)大小。

容易看出，若總電壓增益K的設(shè)計(jì)值很大， I₂、I₃可以忽略不計(jì)，結(jié)果I₀= I₁= Us/Rs ，使本電路成為一個(gè)理想恒流源。

影響反饋型恒流源輸出電流穩(wěn)定性的因素很多。由（ 2）式可知，輸出電流I₀與U_I、U₀、Us、Rs及K都有直接關(guān)系。這還不包括放大器的漂移和噪聲電壓e以及環(huán)境T的影響。

若考慮零點(diǎn)漂移和噪聲電壓e的影響，恒流源輸出電流I₀的表達(dá)式為：

對(duì)（ 3）式求全微分并化簡得

其中，前三項(xiàng)表示恒流源內(nèi)部不穩(wěn)定因素，后兩項(xiàng)表示恒流所處的外部因素對(duì)其穩(wěn)定性的影響。

考慮到環(huán)境溫度的影響。恒流源的溫度系數(shù)α_I可以表示為

即恒流源的溫度系數(shù)α_I由基準(zhǔn)電壓、放大器零點(diǎn)漂移和噪聲電壓以及采樣電阻三者的溫度系數(shù)共同決定。

3元器件選擇

知道了影響恒流源輸出電流的各種不穩(wěn)定因素后，適當(dāng)?shù)剡x擇元器件，合理地布線，可以使各種不利因素影響盡量減小，以提高恒流源的整體性能。

3. 1調(diào)整管的選用

調(diào)整管選用的是絕緣柵場效應(yīng)管（ MOSFET ）中的N—溝道增強(qiáng)型。絕緣柵場效應(yīng)管是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進(jìn)行工作的，由于它的柵極處于不導(dǎo)電（絕緣）狀態(tài)，所以輸入電阻大大提高，最高達(dá)10¹⁵歐 ，這為恒流源的輸出精度打下了良好的基礎(chǔ)。N—溝道增強(qiáng)型的工作條件是：只有當(dāng)V_GS> 0時(shí)，才可能開始有i₀， N—溝道增強(qiáng)型絕緣柵極場效應(yīng)管的符號(hào)及特征曲線如圖2所示。

由特征曲線可知，只有在V_GS>V_T （開啟電壓）的情況下從源極到漏極才有導(dǎo)電溝道，與此同時(shí)，若V_GS處于正值時(shí)，則有較大的漏極電流i₀流向源極，并且i₀隨V_GS的增大而增大。

3.2精密電壓基準(zhǔn)LM399

LM399是帶有恒溫控制器的有源齊納基準(zhǔn)，可以提供穩(wěn)定性極高的電壓基準(zhǔn)，溫度系數(shù)為0.00003%/℃，在0. 5mA～10mA工作電流范圍內(nèi)溫度系數(shù)和基準(zhǔn)電壓不變.表1為LM399與其它基準(zhǔn)電壓源性能比較。[!--empirenews.page--]

在LM399中包含有一個(gè)恒溫電路，能自動(dòng)調(diào)節(jié)整個(gè)集成塊的工作溫度，使之保持在±0. 1℃誤差范圍，從而大大改善了環(huán)境溫度變化對(duì)電壓基準(zhǔn)的不利影響。這也正是LM399極低溫漂、高穩(wěn)定性的原因所在。圖3為恒流源中基準(zhǔn)電壓輸出電路，在實(shí)際電路中所有固定電阻采用低溫漂、高精密電阻，電位器選用微型精密多圈電位器。

3. 3采樣電阻

對(duì)于采樣電阻而言，精度自然十分重要，它會(huì)直接影響到恒流源的性能，但溫度變化和時(shí)效變化都會(huì)使電阻阻值發(fā)生變化，所謂“固定電阻”實(shí)際上是不固定的。解決的辦法是選取溫度參數(shù)和時(shí)效變化小的電阻材料并采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┮詼p小溫度和時(shí)效變化的影響。實(shí)際電路中選用大功率硅錳銅材料制成的精密線繞電阻，其電阻的阻值和溫度關(guān)系可用下列二次式表示：

式中， R_I—t溫度下的電阻值； R₂₀—20℃時(shí)的電阻值； A—一次項(xiàng)溫度系數(shù)一般為1×10^{- 6}/℃； B—二次項(xiàng)溫度系數(shù)約- 0. 5×10^{- 6}/℃。

3. 4第四代集成運(yùn)算放大器

放大器采用斬波穩(wěn)零運(yùn)放ICL7650，全新的設(shè)計(jì)思想使它在直流特性上成為近于“理想”的第四代集成運(yùn)放。它有效地控制了零點(diǎn)漂移。ICL7650的主要性能參數(shù)如下： （ V_±=±1V室溫）

a.輸入失調(diào)電壓V₁₀  0.7μV最差5μV

b.輸入失調(diào)電壓溫漂dU₁₀/dT  0.01μV/℃

c.開環(huán)差模電壓增益A_od 120dB

d.輸入偏置電流I_IB 1.5PA

e.差模輸入電阻R_od 10¹²歐

在實(shí)際電路中，選取外接電容器C_A=C_B= 0.1μF較合適，使用精密的聚苯乙烯優(yōu)質(zhì)電容，來保證采樣保持的精度； ICL7650運(yùn)放遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，防止環(huán)境溫度變化引起的誤差；在輸入端采用適當(dāng)?shù)母綦x環(huán)節(jié)與絕緣措施，防止通過印制板向輸入端漏電。

4組裝與測試

綜上所述，便構(gòu)成了高穩(wěn)定度恒流源的基本框架。在實(shí)際電路安裝時(shí)，為了消除電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，防止調(diào)整管消耗功率太大，采取了調(diào)整管與放大器獨(dú)立電源供電，電路如圖4所示，恒流源供電采用EMI濾波，開關(guān)電源預(yù)穩(wěn)壓（ 18.5V/ 3A ） ， LM338三端集成穩(wěn)壓器調(diào)整電壓為15V±0.015V，這樣一來大大改善了恒流源輸入電壓UI變化的不利影響。

電路安裝完畢，調(diào)整W₁改變基準(zhǔn)電壓Us ，使恒流源的輸出電流I₀為1A ，經(jīng)過多次測試，其輸出結(jié)果見表2.

電流相對(duì)變化率為6×10^-5.