微安級(jí)恒流源的電路設(shè)計(jì)方法

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。

?? 為了使電路的應(yīng)用更為廣泛，可以采用圖3所示的電路結(jié)構(gòu)。

??? 此電路通過差分放大器的拓?fù)湫问浇鉀Q了恒流源負(fù)載不共地的問題，負(fù)載是接在輸出與地線之間。在此電路中，由于采用了差分結(jié)構(gòu)，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(duì)電阻選得不對(duì)稱，將會(huì)嚴(yán)重影響輸出電流的精度。通過運(yùn)放“虛短虛斷”的原則，可以計(jì)算出在此電路中DA轉(zhuǎn)換器輸出lV的電壓對(duì)應(yīng)恒流源電路的輸出電流為10 μA。

3 運(yùn)用儀表放大器設(shè)計(jì)微安級(jí)恒流源電路

??? 差分放大型電路雖然解決了恒流源負(fù)載不共地的問題，但電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且由于使用了三對(duì)大阻值精密電阻，器件難以購(gòu)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(yùn)用新型運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單廉價(jià)的高精密微安級(jí)數(shù)控恒流源。圖4所示電路是采用儀表放大器INAll8結(jié)合運(yùn)放設(shè)計(jì)出的高精密微安級(jí)數(shù)控恒流源。

??? INAll8是美國(guó)B-B公司生產(chǎn)的精密儀表放大器，具有精度高和共模抑制比高的優(yōu)點(diǎn)，適合對(duì)微小信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。INAll8由三個(gè)運(yùn)算放大器組成差分放大結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

??? 其中運(yùn)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(shù)由Rg決定)，Al、A2分別對(duì)Vin-和Vin+進(jìn)行電壓跟隨，A3和4個(gè)60k Ω的電阻組成差分放大器。

??? 在圖4所示電路中，根據(jù)運(yùn)放“虛短虛斷”的原則，負(fù)載電阻R2上流過的電流值由式(2)計(jì)算得出。
???

??? 電路中Rg的穩(wěn)定性和溫度漂移對(duì)增益有影響，應(yīng)采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻，OPA盡量采用高阻抗運(yùn)算放大器，以減小偏置電流所帶來的誤差。如選用普通的運(yùn)放OPAl77，Ib的誤差達(dá)到±15nA；選用高速精密運(yùn)放OPA602，Ih的誤差降為±1pA；選用靜電計(jì)級(jí)運(yùn)放OPAl28，Ih的誤差僅為±75fA。

4 小結(jié)

??? INA118通過內(nèi)部集成的六個(gè)精密電阻與運(yùn)放組成差分放大結(jié)構(gòu)，解決了元器件選擇困難，電路成本高的問題。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)也解決了恒流源負(fù)載不共地的問題，在微弱信號(hào)采集和處理等實(shí)際工程應(yīng)用中具有較高的實(shí)用價(jià)值。