徐 英 劉新峰 張 濤 蔣 偉

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072)

恒流源是指能夠向負(fù)載提供恒定電流輸出的電源，理想的恒流源應(yīng)該具有3個(gè)特點(diǎn)：輸出不隨負(fù)載變化而變化；不因環(huán)境溫度變化而變化；內(nèi)阻無限大。一般來說，按恒流源的組成器件不同，可分為晶體管恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源和集成運(yùn)放恒流源3類。

集成運(yùn)放恒流源相對(duì)晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管恒流源來說，其受溫度影響較小，穩(wěn)定性和恒流性也更好。尤其在負(fù)載一端接地和大電流的場(chǎng)合中，集成運(yùn)放恒流源的效果更為突出。目前市場(chǎng)上較為成熟的恒流源產(chǎn)品的輸出雖然可達(dá)毫安到百安量級(jí)，但是通常對(duì)于實(shí)際應(yīng)用電路要求的輸出電流、穩(wěn)定度及精度等性能指標(biāo)卻很難滿足，仍需要進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1～3]。

XTR110是美國(guó)Burr-Brown公司推出的一款精密電壓/電流轉(zhuǎn)換芯片，其專門為模擬信號(hào)傳輸而設(shè)計(jì)，具有較高的性價(jià)比。利用XTR110可以將0～5V及0～10V等范圍的電壓信號(hào)高精度地轉(zhuǎn)換為0～20mA、4～20mA、5～25mA或者其他范圍的常用輸出電流信號(hào)。除此之外，XTR110本身還可以提供精密的10V參考電壓輸出用于驅(qū)動(dòng)外部電路。該芯片內(nèi)部由精密電阻網(wǎng)絡(luò)模塊、電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊、電流/電流變換模塊和精密10V電壓基準(zhǔn)模塊組成。由于它利用電流進(jìn)行信號(hào)傳輸，所以能有效克服長(zhǎng)線傳輸過程中環(huán)境對(duì)測(cè)試的影響，從而使其性能有所提高。XTR110的應(yīng)用范圍十分廣泛，由于其出色的性能指標(biāo)，可以被用于各種需要信號(hào)傳輸?shù)膱?chǎng)合，特別適合于工業(yè)控制領(lǐng)域中標(biāo)準(zhǔn)表、壓力及溫度等信號(hào)的輸出采集，以及控制信號(hào)遠(yuǎn)傳等復(fù)雜的環(huán)境[4]。

1 XTR110的工作原理①

XTR110是雙列直插式16引腳的集成芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和常用的0～10V輸入、4～20mA輸出典型電路如圖1所示。

XTR110典型電路具有以下幾個(gè)主要特征：

a. 4～20mA發(fā)送器；

b. 輸入電壓可選0～5V或0～10V；

c. 輸出電流可調(diào)0～20mA、5～25mA或者±200mA等；

d. 最大非線性0.005%，典型值為0.002%；

e. 精密參考電壓源輸出10V±0.02V；

f. 使用單電源供電，供電電壓范圍為13.5～40.0V。

芯片內(nèi)部采用激光調(diào)阻工藝保證生成的精密分壓網(wǎng)絡(luò)能將VIN1(滿度為10V)、VIN2(滿度為5V)和VREFIN(用于補(bǔ)償與調(diào)整)3個(gè)輸入電壓加到精密高增益放大器A1的不可逆輸入端。根據(jù)疊加原理，可以得到左側(cè)放大器A1的輸入電壓為：

(1)

圖1 XTR110典型電路

其中，VA1為放大器A1的輸入電壓；VIN1、VIN2和VREFIN分別為3個(gè)輸入端的電壓信號(hào)。

代入其內(nèi)部數(shù)值計(jì)算可得：

(2)

假設(shè)Rspan為Q1上發(fā)射極與公共端(地)之間的阻抗，其端電壓VRspan=VA1。則流過三極管集電極的電流為：

(3)

其中，Ic和Ie分別為三極管集電極和射極電流；Rspan為發(fā)射極與公共端(地)之間的阻抗；VRspan為Rspan上的電壓。

對(duì)右側(cè)放大器A2分析可知VR8=VR9，進(jìn)一步可推導(dǎo)出：

(4)

聯(lián)立上述公式，可以得到實(shí)際輸出電流的計(jì)算公式為：

(5)

2 典型輸出組合

通過分析式(5)可以看出，調(diào)節(jié)Rspan、VIN1、VIN2和VREFIN可以組合多種不同的電流環(huán)輸出模式(表1)。

表1 不同電路輸出模式組合

3 擴(kuò)展80mA實(shí)現(xiàn)方案

在一些特殊環(huán)境中，會(huì)需要用于加熱的大電流輸出(如在恒流式熱式流量計(jì)設(shè)計(jì)中，高精度、穩(wěn)定、較大的電流輸出是十分重要的參數(shù))，通過使用XTR110搭建精度達(dá)0.1%的80mA恒流源，可用于對(duì)熱式流量計(jì)鉑熱電阻探頭的加熱[5]。方案設(shè)計(jì)要求：

供電電壓 24V

輸出電流 80mA

恒流源設(shè)計(jì)精度 0.1%

3.1 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)式(5)，若使用內(nèi)部電阻R8，由于其阻值為50Ω，電流放大系數(shù)僅為10倍，最大輸出電流Iomax=40mA。在擴(kuò)展大于40mA以上電流時(shí)，需使用外部電阻。斷開引腳1和13，在引腳13和16之間接入電阻R1，阻值為10Ω，則電流放大倍數(shù)擴(kuò)大為50倍，輸出電流為：

(6)

輸入電壓源的選取要考慮到電流源的精度、溫漂、穩(wěn)定性及噪聲等因素的影響，根據(jù)測(cè)量誤差理論，對(duì)于只有兩項(xiàng)誤差的情況，當(dāng)其中一項(xiàng)誤差不大于另一項(xiàng)的三分之一時(shí)可以忽略，因此要求電壓源精度要小于電流源設(shè)計(jì)精度的三分之一才能滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)中選取MAX6350CSA基準(zhǔn)電壓芯片，精度可達(dá)±0.02%，采用XTR110所提供的10V電壓供電，電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 80mA恒流源電路設(shè)計(jì)原理

取VIN2=+5V，VIN1和VREFIN接地，可以計(jì)算出，輸出電流為80mA時(shí)，Rspan為：

(7)

三極管負(fù)載電阻Rspan恰好等于內(nèi)部電阻R6，即理論上只需將引腳8和10懸空，引腳9接地即可輸出80mA。但是，具體電路設(shè)計(jì)和參數(shù)確定時(shí)，需要考慮以下特殊因素：芯片內(nèi)部集成的所有電阻均為薄膜電阻，采用激光調(diào)阻工藝可以保證R8/R9=10，但其絕對(duì)阻值均存在最大±20%的誤差，即R8=500±100Ω,R9=1562.5±312.5Ω。此時(shí)，電流放大比例系數(shù)R8/10已經(jīng)改變，不再是50倍；而且R6=Rspan也不再成立，不能直接利用R6。

因此，將引腳9和10懸空，直接在引腳8上外接調(diào)流電阻。出于減小溫漂與提高穩(wěn)定性的考慮，選擇低溫漂、高精度電阻。但是可調(diào)電阻的精度和溫漂性能都不是特別理想，所以將外接調(diào)流電阻分為高精度、低溫漂固定阻值電阻R2和可調(diào)電阻VR1兩部分，同時(shí)盡量增大R2，減小VR1。

取R2=1.4kΩ,VR1=300Ω。即R2+VR1在1562.5Ω±10%范圍內(nèi)可調(diào)，從而保證當(dāng)R8在500Ω±20%范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，Io在80mA±10%范圍內(nèi)可調(diào)，通過P溝道MOS管Q1輸出。

3.2 負(fù)載分析

從上述電路分析中可以看出，該恒流源的帶負(fù)載能力受電源電壓影響。在本方案中，電源電壓24V，其電壓降主要分布在外部拓展精密電阻R1兩端的UR1、晶體管Q1兩端的UQ1和負(fù)載RL兩端的URL。由于晶體管源極與漏極之間的壓降較小，而流過R1和負(fù)載RL的電流均為80mA，故理論認(rèn)為RL在0～290Ω范圍內(nèi)，但實(shí)際中，負(fù)載的大小應(yīng)比此值范圍略小。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)搭建的恒流源進(jìn)行測(cè)試，使用六位半高精度臺(tái)式萬用表測(cè)量，串聯(lián)負(fù)載電阻，調(diào)節(jié)電流輸出至80mA，供電電壓23.988V。

4.1 精度試驗(yàn)

剛上電時(shí)，測(cè)量電流初始值為79.993mA，待電流完全穩(wěn)定后測(cè)量為79.973mA，則可得恒流源精度為：

(8)

試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果高于0.1%的設(shè)計(jì)精度。

4.2 穩(wěn)定性

為了實(shí)時(shí)記錄大量精確數(shù)據(jù)，利用萬用表的串口與計(jì)算機(jī)連接，通過上位機(jī)VB程序?qū)崟r(shí)讀取測(cè)量電流值。

從表2可以看出，在恒流過程中，負(fù)載電阻RL從0Ω增大至270Ω，但通過負(fù)載電阻RL的電流始終維持在80.010±1.64×10-6mA范圍內(nèi)。

綜上所述，本設(shè)計(jì)方案中恒流源的精度和穩(wěn)定性都較高，滿足精度0.1%的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用XTR110搭建的恒流源可以滿足熱式流量計(jì)設(shè)計(jì)中的高精度及高穩(wěn)定性等要求，在80mA設(shè)計(jì)方案中，負(fù)載在0～270Ω范圍內(nèi)，恒流源的精度可達(dá)0.1%以上。本設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，已在熱式流量計(jì)的研究中得到了應(yīng)用。

表2 恒流源試驗(yàn)數(shù)據(jù)

[1] 弭寒光,袁海文,郭鑫,等.獨(dú)立電源系統(tǒng)有源濾波器測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)定制技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(S1):70～75．

[2] 秦玲,賴青貴,張良,等.基于運(yùn)算放大器的壓控恒流源[J].強(qiáng)激光與粒子束,2010,22(3):553～556．

[3] 趙娟,曹科峰,曹寧翔,等.HL80型低紋波系數(shù)大電流程控恒流源研制[J].強(qiáng)激光與粒子,2010,22(4):807～811.

[4] 王牧之,王君艷.反激式高頻變壓器的分析與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(8):157～160.

[5] 許宜申,顧濟(jì)華.一種高精度恒流源電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(4):725～727.