基于XTR110的高精度恒流源设计

徐 英 刘新峰 张 涛 蒋 伟

(天津大学电气与自动化工程学院,天津 300072)

恒流源是指能够向负载提供恒定电流输出的电源，理想的恒流源应该具有3个特点：输出不随负载变化而变化；不因环境温度变化而变化；内阻无限大。一般来说，按恒流源的组成器件不同，可分为晶体管恒流源、场效应管恒流源和集成运放恒流源3类。

集成运放恒流源相对晶体管和场效应管恒流源来说，其受温度影响较小，稳定性和恒流性也更好。尤其在负载一端接地和大电流的场合中，集成运放恒流源的效果更为突出。目前市场上较为成熟的恒流源产品的输出虽然可达毫安到百安量级，但是通常对于实际应用电路要求的输出电流、稳定度及精度等性能指标却很难满足，仍需要进行一定的优化设计[1～3]。

XTR110是美国Burr-Brown公司推出的一款精密电压/电流转换芯片，其专门为模拟信号传输而设计，具有较高的性价比。利用XTR110可以将0～5V及0～10V等范围的电压信号高精度地转换为0～20mA、4～20mA、5～25mA或者其他范围的常用输出电流信号。除此之外，XTR110本身还可以提供精密的10V参考电压输出用于驱动外部电路。该芯片内部由精密电阻网络模块、电压/电流转换模块、电流/电流变换模块和精密10V电压基准模块组成。由于它利用电流进行信号传输，所以能有效克服长线传输过程中环境对测试的影响，从而使其性能有所提高。XTR110的应用范围十分广泛，由于其出色的性能指标，可以被用于各种需要信号传输的场合，特别适合于工业控制领域中标准表、压力及温度等信号的输出采集，以及控制信号远传等复杂的环境[4]。

1 XTR110的工作原理①

XTR110是双列直插式16引脚的集成芯片，其内部结构和常用的0～10V输入、4～20mA输出典型电路如图1所示。

XTR110典型电路具有以下几个主要特征：

a. 4～20mA发送器；

b. 输入电压可选0～5V或0～10V；

c. 输出电流可调0～20mA、5～25mA或者±200mA等；

d. 最大非线性0.005%，典型值为0.002%；

e. 精密参考电压源输出10V±0.02V；

f. 使用单电源供电，供电电压范围为13.5～40.0V。

芯片内部采用激光调阻工艺保证生成的精密分压网络能将VIN1(满度为10V)、VIN2(满度为5V)和VREFIN(用于补偿与调整)3个输入电压加到精密高增益放大器A1的不可逆输入端。根据叠加原理，可以得到左侧放大器A1的输入电压为：

(1)

图1 XTR110典型电路

其中，VA1为放大器A1的输入电压；VIN1、VIN2和VREFIN分别为3个输入端的电压信号。

代入其内部数值计算可得：

(2)

假设Rspan为Q1上发射极与公共端(地)之间的阻抗，其端电压VRspan=VA1。则流过三极管集电极的电流为：

(3)

其中，Ic和Ie分别为三极管集电极和射极电流；Rspan为发射极与公共端(地)之间的阻抗；VRspan为Rspan上的电压。

对右侧放大器A2分析可知VR8=VR9，进一步可推导出：

(4)

联立上述公式，可以得到实际输出电流的计算公式为：

(5)

2 典型输出组合

通过分析式(5)可以看出，调节Rspan、VIN1、VIN2和VREFIN可以组合多种不同的电流环输出模式(表1)。

表1 不同电路输出模式组合

3 扩展80mA实现方案

在一些特殊环境中，会需要用于加热的大电流输出(如在恒流式热式流量计设计中，高精度、稳定、较大的电流输出是十分重要的参数)，通过使用XTR110搭建精度达0.1%的80mA恒流源，可用于对热式流量计铂热电阻探头的加热[5]。方案设计要求：

供电电压 24V

输出电流 80mA

恒流源设计精度 0.1%

3.1 电路设计

根据式(5)，若使用内部电阻R8，由于其阻值为50Ω，电流放大系数仅为10倍，最大输出电流Iomax=40mA。在扩展大于40mA以上电流时，需使用外部电阻。断开引脚1和13，在引脚13和16之间接入电阻R1，阻值为10Ω，则电流放大倍数扩大为50倍，输出电流为：

(6)

输入电压源的选取要考虑到电流源的精度、温漂、稳定性及噪声等因素的影响，根据测量误差理论，对于只有两项误差的情况，当其中一项误差不大于另一项的三分之一时可以忽略，因此要求电压源精度要小于电流源设计精度的三分之一才能满足设计要求。设计中选取MAX6350CSA基准电压芯片，精度可达±0.02%，采用XTR110所提供的10V电压供电，电路设计原理如图2所示。

图2 80mA恒流源电路设计原理

取VIN2=+5V，VIN1和VREFIN接地，可以计算出，输出电流为80mA时，Rspan为：

(7)

三极管负载电阻Rspan恰好等于内部电阻R6，即理论上只需将引脚8和10悬空，引脚9接地即可输出80mA。但是，具体电路设计和参数确定时，需要考虑以下特殊因素：芯片内部集成的所有电阻均为薄膜电阻，采用激光调阻工艺可以保证R8/R9=10，但其绝对阻值均存在最大±20%的误差，即R8=500±100Ω,R9=1562.5±312.5Ω。此时，电流放大比例系数R8/10已经改变，不再是50倍；而且R6=Rspan也不再成立，不能直接利用R6。

因此，将引脚9和10悬空，直接在引脚8上外接调流电阻。出于减小温漂与提高稳定性的考虑，选择低温漂、高精度电阻。但是可调电阻的精度和温漂性能都不是特别理想，所以将外接调流电阻分为高精度、低温漂固定阻值电阻R2和可调电阻VR1两部分，同时尽量增大R2，减小VR1。

取R2=1.4kΩ,VR1=300Ω。即R2+VR1在1562.5Ω±10%范围内可调，从而保证当R8在500Ω±20%范围内变动时，Io在80mA±10%范围内可调，通过P沟道MOS管Q1输出。

3.2 负载分析

从上述电路分析中可以看出，该恒流源的带负载能力受电源电压影响。在本方案中，电源电压24V，其电压降主要分布在外部拓展精密电阻R1两端的UR1、晶体管Q1两端的UQ1和负载RL两端的URL。由于晶体管源极与漏极之间的压降较小，而流过R1和负载RL的电流均为80mA，故理论认为RL在0～290Ω范围内，但实际中，负载的大小应比此值范围略小。

4 试验验证

对搭建的恒流源进行测试，使用六位半高精度台式万用表测量，串联负载电阻，调节电流输出至80mA，供电电压23.988V。

4.1 精度试验

刚上电时，测量电流初始值为79.993mA，待电流完全稳定后测量为79.973mA，则可得恒流源精度为：

(8)

试验计算结果高于0.1%的设计精度。

4.2 稳定性

为了实时记录大量精确数据，利用万用表的串口与计算机连接，通过上位机VB程序实时读取测量电流值。

从表2可以看出，在恒流过程中，负载电阻RL从0Ω增大至270Ω，但通过负载电阻RL的电流始终维持在80.010±1.64×10-6mA范围内。

综上所述，本设计方案中恒流源的精度和稳定性都较高，满足精度0.1%的设计要求。

5 结束语

利用XTR110搭建的恒流源可以满足热式流量计设计中的高精度及高稳定性等要求，在80mA设计方案中，负载在0～270Ω范围内，恒流源的精度可达0.1%以上。本设计方案结构简单、可靠性高，已在热式流量计的研究中得到了应用。

表2 恒流源试验数据

[1] 弭寒光,袁海文,郭鑫,等.独立电源系统有源滤波器测控系统自动定制技术[J].南京航空航天大学学报,2011,43(S1):70～75．

[2] 秦玲,赖青贵,张良,等.基于运算放大器的压控恒流源[J].强激光与粒子束,2010,22(3):553～556．

[3] 赵娟,曹科峰,曹宁翔,等.HL80型低纹波系数大电流程控恒流源研制[J].强激光与粒子,2010,22(4):807～811.

[4] 王牧之,王君艳.反激式高频变压器的分析与设计[J].现代电子技术,2011,34(8):157～160.

[5] 许宜申,顾济华.一种高精度恒流源电路设计与实现[J].仪器仪表学报,2008,29(4):725～727.