－10～100 mV精密电压源设计

阮子喆

(北京航空航天大学，北京100191)

－10～100 mV精密电压源是航空发动机温度控制盒等重要控制系统定检时必不可少的激励信号源，设计时要求输出电压范围优于－10.000～100.000 mV，最大输出电流为20 mA，分辨率1 μV，24 h稳定性优于10 μV，对系统的稳定性要求非常高。针对此要求，传统的模拟电路精密电压源需要很高的D/A分辨率和抗干扰能力[1]。这种电压源不但精度难以满足要求，而且随温度等外界条件影响较大，因而还要加上恒温箱和冷却风扇等辅助措施，大大增加了定检设备的体积和成本，而且输出精度和驱动能力也难以满足要求。本设计采用纯模拟的方法在保证电压源高分辨率、高精度的同时，实现输出电压稳定性高，随温度变化小，可以以1 μV为单位进行调节。

指标分析：满量程为100.000+10.000=110.000 mV，分辨率为1 μV，如果由D/A实现，则需要17位DA，另外运算过程中会有1～2位的损失，所以至少需要19位的DA，另外如果输出负电压，用DA输出负电压也比较困难，因此本设计采用纯模拟的方法来实现。

1 电路拓扑结构设计

采用运放跟随和反向放大相结合的方式完成，输出电压调节由粗调和细调电位器P2和P1完成，电路如图1所示，当Vn点的电压固定不变时，输出电压近似跟随Vp点的电压变化，所以电位器P2完成输出粗调功能；当Vp点的电压固定不变时，Vn点电压的变化值衰减至原来的1%后反映到输出电压，所以电位器P1完成细调的功能。当Vp电压为零时，输出电压为负值，以满足设计要求，Vn和Vp分别接电位器P1和P2的中间抽头；三极管Q1完成功率输出级电流放大的功能，以保证当输出电流比较大时，输出电压能够稳定；电阻R9为电路提供旁路电流，当输出无负载时，经过二极管的电流近似为1 mA，以使电路工作在正常状态。

2 硬件设计

2.1 敏感性分析

敏感性分析：分析电路中每个元器件参数变化对输出测量的影响。通过图2相对敏感性分析结果，可以看出P2和R4对电路输出电压影响最大，其次是R7和R8，最后是R1和R10。因为P2和R4对电路的输出电压最敏感，所以可以通过改变P2和R4的参数来快速改变输出电压。P1对输出电压不敏感，可以通过改变P1的参数，微量地改变输出电压，以达到1 μV的变化目的。R7和R8对输出电压影响比较大，所以应选用高精度、高稳定性、低温漂的电阻，以达到输出电压稳定的目的。

图1 电路拓扑

图2 敏感性分析结果

2.2 优化分析

优化分析：设定好元件参数的范围和目标参数，由软件仿真来确定准确的元件参数，以满足目标参数。

本设计的目标参数为最大输出电压，设定范围为最小99 mV，最大101 mV，由敏感性分析可知，R4对电路的影响最大，所以修改R4的参数来满足输出目标，仿真结果如图3所示，当电阻R4=21.560 6 kΩ时输出电压为100.073 mV，满足要求。图4为使用优化参数R4=21.560 6 kΩ的实际电路仿真结果，与优化分析结果一致。实际应用中R4选用20 kΩ精密电阻，最大输出电压为108.390 mV。

图3 优化分析结果

图4 使用优化参数后的电路仿真结果

2.3 Monte carlo分析

Monte carlo分析：当电路的元器件参数在容差范围内变化时，电路输出指标相应变化，非常适用于大批量生产。

本设计的电阻容差为1%，运行40次的输出电压范围如下：最小值为106.408 mV，最大电压为110.442 mV，分布如图5所示。

3 负载和温度变化时输出电压的稳定性测试

3.1 负载变化时输出电压的稳定性测试

图5 Monte carlo分析仿真结果

负载电阻为U2，当负载电阻在10～1 kΩ变化时输出电压保持基本稳定是设计目标之一。图6为负载变化时输出电压的仿真结果，从仿真结果看，当负载变化时，输出电压变化量优于1 μV，负载稳定性良好。

图6 负载变化时的仿真结果

3.2 温度变化时输出电压的稳定性测试

当电阻的温度系数为10－4时，即温度每变化1℃，电阻值变化万分之一，电路输出电压随温度而变化，RTMPL=100 μV/℃为温度系数值，所有电阻的温度系数都一样，初始环境温度设定为30℃，当环境温度从0℃变化到60℃时，输出电压的变化如图7所示，输出电压的变化优于2 μV，非常稳定。

当R10和P2的温度系数为10－6时输出电压随温度的变化如图7所示：电压从108.7 mV变化到108 mV，变化量为700 μV，所以在选取电阻时，一定要保持电阻的温度系数一致，以保证输出电压的稳定性。

图7 温度系数相同时输出电压随温度变化

4 实际电路设计

该电路中电位器型号为7276，20圈。粗调电位器电阻值为1 kΩ，满量程调节范围为110 mV，即110 mV—20圈，5.5 mV—1圈，5 500 μV—360度，550 μV—36度；细调电位器电阻值为100 Ω，满量程调节范围为 600 μV，即 600 μV—20圈，30 μV—1圈—360度，1 μV—12 度。

运放为精密运放，型号为LTC1150。电阻为精密电阻，温度系数为10－4，精度为千分之一，功率为0.25 W。REF03GPZ为2.5 V电压基准，精度和稳定性都非常优良。精密电压源实际电路和电路板如图8、图9所示。

图8 精密电压源实际电路

图9 精密电压源电路板

实际电路测试结果如表1所示。

表1 实际电路电压输出

由实际电路测试结果可见，满足设计要求，精度和稳定性优良。

[1]王东锋，黎映相.0～100 mV精密电压源的设计与仿真[J].微型机与应用，2012，10：31-33.