高精度恒流源的设计与制作

米卫卫， 杨 风， 徐丽丽

（中北大学信息与通信工程学院 太原市 030051）

0 引言

本文设计了1～45mA连续可调高精度恒流源，为了达到要求先收集功能相近的若干现有电路，加以比较、分析各自的优缺点，然后取各家之长为我所用，做出基本方案，再通过计算、实验、改进，完成任务。

1 几种常见恒流源电路

恒流源分为流出(Current Source)和流入(Current Sink)两种形式。

最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。

最常用的简易恒流源如图1所示，用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，电流数值为：I = Vbe/R1。

图1 最常用的简易恒流源

这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其be电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。

为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。

典型的运放恒流源如图2所示，如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。

图2 典型的运放恒流源

电流计算公式为：I = Vin/R1。这个电路可以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。

从以上两个电路可以看出，恒流源有个定式就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。有了这个定式，恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。

2 1～45mA高精度恒流源的设计方案

2.1 整体框图

整体框图如图3所示。

它主要由基准电压源、比较放大器、调整管、采样电阻等部分构成，电源为基准电压源、比较器供电。简单的说是电流串联负反馈，具体的工作过程：通过采样电阻把输出电流转变成电压，反馈给比较放大器输入端，再与基准电压相比较，放大器把误差电压放大后去控制调整管的内阻对输出电流进行调整、维持输出电流恒定。

图3 整体框图

2.1.1 电源

选择直流12V电压源，给基准电压源、比较器供电。12V电压可以由220V市电经变压、整流、滤波、8712稳压输出。电路如图4所示。

由于12V电压源比较普遍，并且稳定性能好，所以本设计中直接用12V电源提供12V电压。

2.1.2 基准电压源

基准电压源选用常见的稳压二极管LM385，LM385系列为微功率二端带隙稳压器二极管。设计工作于10微安到20mA的宽电流范围。这些器件特征有非常低的动态阻抗，低噪声以及随时间和温度稳定工作。通过片内微调可以实现严格的电压误差。该器件大动态的操作范围使其适用于变化范围很大的电源和具有优异调整能力的应用场合。

图4 具体电路

2.1.3 比较放大器

比较放大器选用LM358，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 。

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

2.1.4 调整管

调整管选用D1071。D1071为低频大功率NPN型达林顿管，6A,40W。

2.1.5 电阻

采样电阻RS为46Ω的精密电阻，型号RII-81/4，精度为0.1%，温度系数±25PPm/℃。

RV为10kΩ的滑动变阻器，实现比较器输入电压可调。从而使输出电流可调。

2.1.6 测量显示

为了实现对恒流源输出电流进行实时监测，在负载电路中串联一高精度电流表。对电流进行实时监测，可以用AD对采样电阻的电压进行采集，加单片机对数据进行处理，送显示屏显示。此处采用自带AD的ATMEGA16单片机，对数据进行采集处理，送迪文显示屏显示，其图见图5。

其中，JTAG为程序下载接口，MAX3232有两组串口，分别与PC和迪文屏连接。由于AD精度有限、数据处理存在误差，而万用表上的电流表测量部分比较常用，并且精度也能满足要求，所以直接串联高精度电流表。

图5 显示图

2.2 原理图

设计原理图如图6所示。

图6 原理图

它主要由基准电压源、比较放大器、调整管、采样电阻等部分构成，具体的工作过程：通过采样电阻把输出电流转变成电压，反馈给比较放大器输入端，再与基准电压相比较，放大器把误差电压放大后去控制调整管的内阻对输出电流进行调整、维持输出电流恒定。采用基本没有温度漂移的精密电阻作为采样电阻，功率达林顿管作为调整管，实现高精度的目的。比较放大器的输入电压可调，从而实现恒流源的可调。用高精度电流表对输出电流进行检测，实现对恒流源输出进行实时监测。此次所设计的恒流源具有精度高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉等优点。

3 装配与调试

如原理图所示，连接电路。在万能板上合理分配元器件的布局，认真焊接。注意LM385接1、2管脚，3空置，习惯平视时从左到右依次为1、2、3，1管脚接地。为了测量方便、稳定，负载电阻由固定阻值的电阻串联，在万能板上留出端子，直接接线即可。为了更好的应用此恒流源，负载电阻两接线端接凤凰端子，方便负载电阻的切换，对此恒流源无用，但有助于改进。

焊接好之后，先对其进行调试。通电之后，先用电压表测量LM385两端电压，电压在2.45V左右良好，否则检查电路。移动RV，测量LM358的1管脚即输出端电压，至良好。观察电流表是否有电流输出，输出则良好 。

4 测试与分析

4.1 测试内容

本电路的原理是调节RV可以改变输入比较放大器的电压，进而改变恒流源输出电流的大小，通过电流表的读数，对恒流源进行实时监测。

恒流源电流范围，某一固定电流值时的带负载能力。电流固定、负载固定在一定时间内，电流的波动。电流固定时，在其带负载能力范围内，电流的波动。

4.2 测试方法

4.2.1 证明输出恒流

当电流固定，改变负载，电流表示数不变时，可证明其输出为恒流。

4.2.2 测出恒流范围

在某一负载下，移动RV，读出电流表最大值及最小值，即为恒流源的范围。

4.2.3 测出固定电流下的带负载能力

在固定电流下，改变负载，电流表示数改变时的电阻值（一般取较小值），此电阻值即为在此电流下的恒流源的所能驱动的最大负载。

4.2.4 恒流源的精度

从两个方面测量，一是受时间的影响，二是受负载的影响。即RV不变，RL在一定范围内改变，观察电流的波动；RV不变、RL不变，在一定时间内观察电流的波动。

由于上述测量量之间有相互限制，所以开始时应反复测量。取合适值进行测量。

4.3 具体操作

4.3.1 电流固定，改变负载，记录电流表示数

以15mA为例，取RL=46Ω，调节RV使电流表显示数值为15mA，固定RV，调接RL观察电流表示数（见表1）。

表1 (a) 测试数据

4.3.2 RL不变，RV改变，记录电流范围

选择RL=46Ω，调节RV，读出电流表的示数。得出恒流源量程范围为0～49mA。

4.3.3 RV不变（固定一电流值），RL范围

电流取值1～45mA 分别记录RL

以15mA为例，取RL=46Ω，调节RV使电流表显示数值为15mA，固定RV，调节RL,测量D1071的BC端电压，电压为负且电流表示数不变的最大RL值，多次反复测量得出最大值为580Ω。

按同样的方法测得其它电流下的最大RL如表1所示（RL并非取的最大值，有一定的余量）。

4.3.4 恒流精度

⑴ RV、RL都不变，记录电流的波动

以15mA为例，取RL=46Ω，调节RV使电流表显示数值为15mA，固定RV，读取电流表显示值，取下电阻再次加上，再读数重复5次。

取RL=7Ω、100Ω,重复以上实验得出数据如表2所示。

表1 (b) 按同样的方法测得其它电流下的最大RL

表2 取RL=7Ω、100Ω,重复以上实验得出数据

⑵ RV不变，RL在一定范围内改变，记录电流的波动

夹放3次，记录不同RL时的电流

以15mA为例，取RL=46Ω，调节RV使电流表显示数值为15mA，固定RV。改变RL的值记录电流表显示数值，绘制成图表见下，图7为RL取7-301Ω，间隔约7Ω时，电流的波动。图8为RL在7-580Ω，间隔约50Ω时，电流的波动。

⑶ RV不变、RL不变，在一定时间内电流的波动。

以15mA为例，取RL=46Ω，调节RV使电流表显示数值为15mA，固定RV。经过24h,电流表显示数值为 14.976mA（见表3）。

表3 24h,电流表显示数值

4.4 数据分析

由表1可得，可以实现恒流输出。

由实验5.3.2可得， 此恒流源的范围为0～49mA，满足要求的 1～45mA。

由表2可得，电流越大，带负载能力越弱，运用此恒流源时应注意其带负载范围。

由图7图8可见其具有恒流特性，因受环境、测量时间、地点及器件本身的影响，电流有一定的波动，由图8可得，15 mA下其电流波动量最大为 Imax=15-14.94=0.06 mA，其精度为0.06/15*100%=0.4%,满足其对精度 1% 的要求。

由实验 5.3.4 的 (3)可得，（15-14.976）/15*100%=0.16%,即对于固定的电流、电阻，恒流源的精度为0.16%/24h,有很好的稳定性。

综上所述，本恒流源具有结构简单，器件普遍，操作方便，易于实现等特点。由于实验测量过程中受温度、湿度、器件本身、布线等的影响，恒流源测量时肯定有所影响。但在一定范围内，满足要求。

图7 RL取7-301Ω，间隔约7Ω时，电流的波动

图8 RL在7-580Ω，间隔约50Ω时，电流的波动

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