管梁

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0 引言

在恒壓源器件中，恒流源的穩(wěn)定性高低，將直接關(guān)系到器件性能的發(fā)揮，為提升恒壓源來(lái)控制電流源準(zhǔn)確度，最終達(dá)到精密恒流源的目的，降低溫度給恒流源的穩(wěn)定帶來(lái)的影響，需要對(duì)恒流源穩(wěn)定性不足的原因進(jìn)行梳理，緊密結(jié)合實(shí)際，采取科學(xué)的設(shè)計(jì)方案就顯得尤為重要。

1 基于恒流源的概述

恒流源作為負(fù)載時(shí)提供恒定電流的電子元件或者電路，在電子技術(shù)與測(cè)試技術(shù)中得到了廣泛地運(yùn)用，常見的應(yīng)用有：①差動(dòng)放大電路；②脈沖產(chǎn)生電路；③設(shè)定偏置電流；④負(fù)載有源模擬；⑤信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。而恒流源的穩(wěn)定性影響因素主要是溫度，當(dāng)溫度變化時(shí)，對(duì)PN結(jié)的穿透電流會(huì)帶來(lái)影響，使得恒流源電流發(fā)生變化。因此，在恒流源設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償措施，才能將溫度引發(fā)的負(fù)面影響有效減緩。而就高精度的測(cè)試系統(tǒng)而言，恒流源在整個(gè)信號(hào)檢測(cè)中處于最前端，穩(wěn)定度的高低，將對(duì)系統(tǒng)精度帶來(lái)直接的影響。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為促進(jìn)其精度提升，需要利用恒壓器來(lái)進(jìn)行精密恒流源的制作[1]。

2 基于恒壓源的壓控提升恒流源精度的原理分析

圖1 原理電路

3 基于恒壓源的壓控提升恒流源精度的理論分析

第一，從目前實(shí)踐中的很多測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際來(lái)看，在運(yùn)行中，勢(shì)必與地面之間形成電勢(shì)差，且電流需要從接地電阻端通過(guò)。而如果只是簡(jiǎn)單的按照?qǐng)D1所示的理論，將負(fù)載電阻和電源正極連接后，勢(shì)必難以達(dá)標(biāo)，此時(shí)就需要把采樣電阻的供用電與運(yùn)放輸入點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓全部改接在電源正極之上，同時(shí)負(fù)載電阻需要做好接地。

第二，為提升恒流源精度，需要認(rèn)真選取電子元件的型號(hào)與規(guī)格，才能確保電子元件帶來(lái)溫度漂移。由于電壓十分穩(wěn)定，所以應(yīng)選取基于恒壓源的電子器件，才能確保其精度得到提升。比如在基準(zhǔn)穩(wěn)壓源選擇時(shí)，應(yīng)選取電氣溫度系數(shù)最低和性能最佳的產(chǎn)品，而一般的穩(wěn)壓管主要是在半導(dǎo)體表面形成齊納擊穿的原理制作而成，那么勢(shì)必就需要面臨噪聲電壓較高和穩(wěn)定性不足的問題。為加強(qiáng)對(duì)其的改進(jìn)，就需要采用以次表面隱埋技術(shù)為核心的穩(wěn)壓源，因?yàn)辇R納擊穿所在位置為半導(dǎo)體內(nèi)部次表面上，使得電子器件自身的噪聲電壓就會(huì)明顯下降，使得溫度程度得到提升。以LM399為例，這一基準(zhǔn)穩(wěn)壓源采用了次表面隱埋技術(shù)，不僅穩(wěn)定性高，而且噪音低，同時(shí)溫度較為溫度，當(dāng)周邊溫度低于90℃時(shí)，溫度變化帶來(lái)的相關(guān)影響很小，可以忽略，這樣溫度漂移系數(shù)就能始終處于規(guī)范值之內(nèi)。

第三，在電阻選擇時(shí)，因?yàn)殡娏鞣€(wěn)定度與電子檔穩(wěn)定度有著直接的關(guān)聯(lián)，因此在電阻選擇時(shí)不能采用普通電阻，應(yīng)確保所選的電阻具有溫漂系數(shù)低的特點(diǎn)，常規(guī)電阻溫漂系數(shù)往往超過(guò)500ppm，而此時(shí)要求的電阻溫漂系數(shù)需要在5ppm之內(nèi)。

第四，在電源方面的要求，就是確保所選的電源在紋波與諧波方面較少，將非溫度因素帶來(lái)的影響降低。尤其是目前的很多測(cè)控系統(tǒng)都涉及了數(shù)字電路，所以還要做好數(shù)字電路與模擬電路的區(qū)分，在電源負(fù)極做好共地處理，以盡可能地降低偏差。

第五，在運(yùn)算放大器方面，主要是選用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)替代傳統(tǒng)的晶體管，使得放大倍數(shù)和驅(qū)動(dòng)能力還有基極電流得到有效提升。一般而言，放大倍數(shù)越大、穿透電流越小。溫漂系數(shù)才能有效降低[2]。

4 基于恒壓源的壓控提升恒流源精度的實(shí)踐分析

由于恒流源主要是在測(cè)試電路最前端，穩(wěn)定性的高低，將直接對(duì)系統(tǒng)的性能帶來(lái)影響，所以其關(guān)鍵就在于確保恒遠(yuǎn)流的高穩(wěn)定度得到實(shí)現(xiàn)。因此，在本研究中，采用了以恒壓源為前提的設(shè)計(jì)思路，利用恒壓源具有穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，將采取運(yùn)算放大電路后，轉(zhuǎn)換在恒流源之中，并設(shè)計(jì)了具有的電路。其中，在穩(wěn)定度測(cè)試時(shí)，主要所采用HP-3468A型號(hào)的高精度電流表（臺(tái)式）來(lái)進(jìn)行，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為48h，共獲取數(shù)據(jù)約2萬(wàn)多條，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的梳理和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)恒流源漂移率是3×10-3%/d時(shí)，且溫漂系數(shù)是5.1×10-4%℃時(shí)，其穩(wěn)定性和可靠性最佳。以下結(jié)合本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)恒壓源的壓控提升恒流源精度設(shè)計(jì)要點(diǎn)基于實(shí)證的方式進(jìn)行研究。

4.1 電路優(yōu)化要點(diǎn)

很多目前的很多測(cè)試系統(tǒng)需要確保電流從接地一端的負(fù)載電阻中流過(guò)，從而形成對(duì)地電壓信號(hào)，而如果采用圖1的電路，其將負(fù)載電阻與電源正極連接，因此與對(duì)地電壓信號(hào)要求不足，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要將與運(yùn)放輸入端連接的基準(zhǔn)電壓和采樣電阻的公共端全部接入電源正極，而負(fù)載電阻則基地，為滿足測(cè)試的需要，應(yīng)對(duì)圖1所示的電路圖進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整后的電路圖詳見圖2所示。

圖2 實(shí)際電路

4.2 基準(zhǔn)電壓源的選擇要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為確保得到的恒流源的精度更高，應(yīng)切實(shí)做好器件型號(hào)的優(yōu)選，由于上述已經(jīng)在理論中說(shuō)明，需要盡可能地選取低溫漂元件，從而降低器件引發(fā)的溫度漂移。為更好地進(jìn)行選擇，筆者選取幾種常見的基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行了對(duì)比。具體情況如下：①LM336-5型的基準(zhǔn)電壓源，其基準(zhǔn)電壓為5V，溫漂系數(shù)為30（單位為10-6/℃，下同），最大電流是10mA，采用的封裝方式為TO-06；②LM336-2.5型的基準(zhǔn)電壓源，其基準(zhǔn)電壓為2.5V，溫漂系數(shù)為20，最大電流是10mA，采用的封裝方式為TO-06；③TC05型的基準(zhǔn)電壓源，其基準(zhǔn)電壓為2.5V，溫漂系數(shù)為50，最大電流是20mA，采用的封裝方式為DIP-8；④MAX673型的基準(zhǔn)電壓源，其基準(zhǔn)電壓為5V，溫漂系數(shù)為2，最大電流是10mA，采用的封裝方式為TO-99；⑤LM399型的基準(zhǔn)電壓源，其基準(zhǔn)電壓為6.95V，溫漂系數(shù)為1，最大電流是10mA，采用的封裝方式為TO-92；⑥MC1403型的基準(zhǔn)電壓源，其基準(zhǔn)電壓為2.5V，溫漂系數(shù)在10到100之間，最大電流是10mA，采用的封裝方式為DIP-8；⑦μPC1060型的基準(zhǔn)電壓源，其基準(zhǔn)電壓為2.5V，溫漂系數(shù)在40以下，最大電流是10mA，采用的封裝方式為DIP-8。

通過(guò)對(duì)這七種基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)選之后，發(fā)現(xiàn)第⑤種最佳，也就是LM399為系統(tǒng)的最佳基準(zhǔn)電壓源，因?yàn)槠洳粌H電壓溫漂系數(shù)最低，而且性能也最佳。而①LM336-5和②LM336-2.5型的基準(zhǔn)電壓源，采用的是半導(dǎo)體表面齊納擊穿技術(shù)，所以噪聲電壓較高，而且穩(wěn)定性不足。而其余4種要么就是電壓溫漂系數(shù)大，要么就是性能不佳，且大都是以半導(dǎo)體表面齊納擊穿技術(shù)制作而成，因?yàn)樯鲜鲆呀?jīng)分析，采用這種技術(shù)制作的性能不佳，而LM399是采用次表面隱埋技術(shù)制作而成的齊納穩(wěn)壓管，不僅穩(wěn)定性高，而且噪聲電壓較低，加上其恒溫特性較為明顯，當(dāng)環(huán)境溫度在90℃以下時(shí)，溫度變化給基準(zhǔn)電壓帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)，溫漂系數(shù)為1×10-6/℃，也就是標(biāo)準(zhǔn)值，而其余的六種基準(zhǔn)電壓源達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 運(yùn)算放大器的選擇要點(diǎn)

因?yàn)樵谏鲜隼碚撝?，?duì)電阻和電源的選擇要點(diǎn)進(jìn)行了分析，且選擇的難度低，在此不進(jìn)行說(shuō)明，主要是結(jié)合本次實(shí)踐，對(duì)運(yùn)算放大器的選擇要點(diǎn)進(jìn)行實(shí)證分析。在本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中主要選用的運(yùn)算放大器的性能分析如下：①OP07型運(yùn)算放大器，采用的運(yùn)放方式為低溫漂，工作電壓為±3.0-±16V，溫漂系數(shù)為0.6，單價(jià)為2.5元一只，由A廠生產(chǎn)；②OP07型運(yùn)算放大器，采用的運(yùn)放方式為低溫漂，工作電壓為±3.0-±16V，溫漂系數(shù)為0.6，單價(jià)為2.5元一只，由A廠生產(chǎn)；③INA128型運(yùn)算放大器，采用的運(yùn)放方式為高精密，工作電壓為±3.0-±40V，溫漂系數(shù)為0.5，單價(jià)為48.0元一只，由B廠生產(chǎn)；④INA620型運(yùn)算放大器，采用的運(yùn)放方式為儀表，工作電壓為±2.3-±18V，溫漂系數(shù)為0.6，單價(jià)為45.0元一只，由A廠生產(chǎn)；⑤AD707型運(yùn)算放大器，采用的運(yùn)放方式為低溫漂，工作電壓為±2.3-±22V，溫漂系數(shù)為0.1，單價(jià)為25.5元一只，由A廠生產(chǎn)；⑥LM324型運(yùn)算放大器，采用的運(yùn)放方式為常規(guī)方式，工作電壓為±1.5-±16V，溫漂系數(shù)為7.0，單價(jià)為2.0元一只，由C廠生產(chǎn)。由于上述理論分析已經(jīng)總結(jié)，為了將運(yùn)算放大器引發(fā)的誤差降低，需要采用溫度漂移系數(shù)較小的運(yùn)放方式，所以選用第⑤種作為本試驗(yàn)的運(yùn)算放大器。此外，需要說(shuō)明的是，在圖2中，IRF530為場(chǎng)效應(yīng)管，主要是從放大倍數(shù)和驅(qū)動(dòng)能力以及基極電流三個(gè)方面綜合分析后得到的，也與上述的理論要求相符[3-5]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，良好的器件必須要與科學(xué)合理的設(shè)計(jì)來(lái)結(jié)合，才能更好地將其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。本文結(jié)合恒壓源的技術(shù)原理，精密恒流源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，采取理論與實(shí)踐的方式，對(duì)本文提出的方案進(jìn)行了初步論證，以期為實(shí)踐應(yīng)用提供相關(guān)的借鑒和幫助，以更好地滿足智慧城市在電子技術(shù)方面的需要，為智慧城市的建設(shè)、管理和發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力。