如何进行高精度宽范围恒流源电路的设计

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标签:恒流源(151)运算放大器(1499)元器件(854)

  设计了一种由基准电压源 、集成运算放大器及复合管等组成的高精度恒流源电路, 其输出电流范围为 1μA~ 1A。详细分析了该电路的工作原理,公式推导证明了设计的正确性, 并对实际应用中元器件的选取进行了说明。对所设计恒流源电路的性能进行了测试 ,测试结果表明 :该电路精度高、稳定性好, 输出电流精度相对误差的最大值为 0.152%,输出电流稳定性误差的最大值为 0.047%。

  恒流源是指能够向负载提供恒定电流的电源 ,在金属薄膜电阻率测量、金属丝杨氏模量测量、磁阻效应、光电效应以及光电池特性测量等大学物理实验中应用广泛 。目前市场上较成熟的恒流源产品的输出虽然可达毫安培到百安培量级 ,但通常并不能完全满足于具体的实验应用需求, 对输出电流大小、稳定度及精度等指标有特殊要求的恒流源电路通常仍需要自行研制 。

  本文介绍一种由基准电压源、集成运算放大器及复合管等组成的高精度恒流源电路 ,其输出电流范围为 1μA~ 1A, 精度高, 稳定性好。通过简单的元器件参数调整或电路并联等设计后 ,即可满足多数大学物理实验应用电路的需求 。

  所设计的高精度恒流源电路 ,如图 1所示 。由该原理图可知, 整个恒流源电路包括基准电压源 Vref、阻抗变换器 A1 、电压放大器 A2 与 A3 、电流放大器 Q1 ~ Q3 、精密采样电阻 RN1 ~ RN7以及反馈信号电压跟随器 A4等部分 。其中 , Vref为 5V基准电压源 , Q2 、Q3 组成复合管, 以便输出较大的电流, S1 ~ S7为输出电流切换开关。本恒流源电路的核心设计原理是:通过负载电压反馈,在高精度采样电阻上产生恒定的压降,则与该精密采样电阻相串联的支路中就可以得到恒定的输出电流。具体的工作过程简述如下:设开关 S1 ~ S7中某一路接通, 当负载电阻 Rx变大时, 其上瞬间压降 Vx随之增大, 则运算放大器 A3的同相输入端与反相输入端之间的压差减小 ,输出电压 V2小于基准电压 Vref,

  此时运算放大器 A2的反相输入端产生微小的负电压, A2将其同相输入端与反相输入端之间的压差进行线性放大 ,输出的正电压使得三极管 Q3的发射极电压增大,从而维持精密采样电阻上的压降保持不变。当负载电阻 Rx减小时 ,工作过程与上述类似。

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