1A 高稳定度恒流源的试制

作者：时间：2013-03-20来源：网络收藏

1原理

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/175452.htm

作为精密直流测量系统，高稳定度的恒流源的设计是十分重要的。本系统采用的是集成运放反馈型恒流源电路，它通过负反馈作用，便加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流的恒定[ 1].图1是反馈型恒流源的电路及方框图，其中包括高速管理、采样电阻、基准电压、比较放大器等。在要求输出电流较大、精度较高的实际应用中，采用反馈型恒流源电路是行之有效的方法。

由图1（a）可知，比较放大器一个输入端是基准电压Us，另一端是负载电流I₀ ，采样电阻Rs的电压降I₀R_s，若比较放大器两个输入电压暂时不等，其电压值被放大后，加到高速管的栅极（ G）与源极（ S ）之间，从而改变调整管V_GS的值，由调整管的转移特性可知： I₀在Rs两端的压降也随着改变，直到比较放大器的两个输入电压之差等于零，于是

即

由此可见，在理想状态下，反馈型恒流源的输出电流I₀仅由基准电压Us和采样电阻Rs决定，而与输入电压U_I和负载电阻R_L的变化没有关系。

2反馈型恒流源输出电流不稳定因素分析

根据图1（ a）电路可以推导出输出电流表达式如下

其中， U_I—恒流源直流输入电压； U₀—恒流源输出电压； I₀—恒流源输出电压； Us—基准电压； r₀—调整管电路等效输出电阻； R_S—采样电阻； K—放大器（包括调整管）总电压增益。

为了说明（ 2）式所表达的物理意义，可将其分解为三部分，即

其中， I₁主要表征输出电流I₀与基准电压Us和采样电阻Rs间的量值关系。当K很大时， KRs>>（Rs+r₀)，第一部分可写成I1= Us/Rs.这是理想恒流源的输出电流，其值由Us和Rs决定。

I₂主要表征I₀与恒流源直流输入电压U_I的量值关系。当满足KRs>>（Rs+r₀)时，I₂= Ui/KPs.它实际反映了恒流源电压高速率指标大小。

I₃主要表征I₀与恒流源输出电压（或负载电阻RL ）之间的量值关系。在满足KRs>>（Rs+r₀)时， I3=U₀/KRs.它实际上反映了恒流源负载调整率指标大小。

容易看出，若总电压增益K的设计值很大， I₂、I₃可以忽略不计，结果I₀= I₁= Us/Rs ，使本电路成为一个理想恒流源。

影响反馈型恒流源输出电流稳定性的因素很多。由（ 2）式可知，输出电流I₀与U_I、U₀、Us、Rs及K都有直接关系。这还不包括放大器的漂移和噪声电压e以及环境T的影响。

若考虑零点漂移和噪声电压e的影响，恒流源输出电流I₀的表达式为：

对（ 3）式求全微分并化简得

其中，前三项表示恒流源内部不稳定因素，后两项表示恒流所处的外部因素对其稳定性的影响。

考虑到环境温度的影响。恒流源的温度系数α_I可以表示为

即恒流源的温度系数α_I由基准电压、放大器零点漂移和噪声电压以及采样电阻三者的温度系数共同决定。

3元器件选择

知道了影响恒流源输出电流的各种不稳定因素后，适当地选择元器件，合理地布线，可以使各种不利因素影响尽量减小，以提高恒流源的整体性能。

3. 1调整管的选用

调整管选用的是绝缘栅场效应管（ MOSFET ）中的N—沟道增强型。绝缘栅场效应管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，由于它的栅极处于不导电（绝缘）状态，所以输入电阻大大提高，最高达10¹⁵欧，这为恒流源的输出精度打下了良好的基础。N—沟道增强型的工作条件是：只有当V_GS> 0时，才可能开始有i₀， N—沟道增强型绝缘栅极场效应管的符号及特征曲线如图2所示。

由特征曲线可知，只有在V_GS>V_T （开启电压）的情况下从源极到漏极才有导电沟道，与此同时，若V_GS处于正值时，则有较大的漏极电流i₀流向源极，并且i₀随V_GS的增大而增大。