对基于恒压源的精密恒流源思考分析

管梁

（广州广电城市服务集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

在恒压源器件中，恒流源的稳定性高低，将直接关系到器件性能的发挥，为提升恒压源来控制电流源准确度，最终达到精密恒流源的目的，降低温度给恒流源的稳定带来的影响，需要对恒流源稳定性不足的原因进行梳理，紧密结合实际，采取科学的设计方案就显得尤为重要。

1 基于恒流源的概述

恒流源作为负载时提供恒定电流的电子元件或者电路，在电子技术与测试技术中得到了广泛地运用，常见的应用有：①差动放大电路；②脉冲产生电路；③设定偏置电流；④负载有源模拟；⑤信号检测系统。而恒流源的稳定性影响因素主要是温度，当温度变化时，对PN结的穿透电流会带来影响，使得恒流源电流发生变化。因此，在恒流源设计过程中，需要采取相应的温度补偿措施，才能将温度引发的负面影响有效减缓。而就高精度的测试系统而言，恒流源在整个信号检测中处于最前端，稳定度的高低，将对系统精度带来直接的影响。在实际应用过程中，为促进其精度提升，需要利用恒压器来进行精密恒流源的制作[1]。

2 基于恒压源的压控提升恒流源精度的原理分析

图1 原理电路

3 基于恒压源的压控提升恒流源精度的理论分析

第一，从目前实践中的很多测试系统的实际来看，在运行中，势必与地面之间形成电势差，且电流需要从接地电阻端通过。而如果只是简单的按照图1所示的理论，将负载电阻和电源正极连接后，势必难以达标，此时就需要把采样电阻的供用电与运放输入点的基准电压全部改接在电源正极之上，同时负载电阻需要做好接地。

第二，为提升恒流源精度，需要认真选取电子元件的型号与规格，才能确保电子元件带来温度漂移。由于电压十分稳定，所以应选取基于恒压源的电子器件，才能确保其精度得到提升。比如在基准稳压源选择时，应选取电气温度系数最低和性能最佳的产品，而一般的稳压管主要是在半导体表面形成齐纳击穿的原理制作而成，那么势必就需要面临噪声电压较高和稳定性不足的问题。为加强对其的改进，就需要采用以次表面隐埋技术为核心的稳压源，因为齐纳击穿所在位置为半导体内部次表面上，使得电子器件自身的噪声电压就会明显下降，使得温度程度得到提升。以LM399为例，这一基准稳压源采用了次表面隐埋技术，不仅稳定性高，而且噪音低，同时温度较为温度，当周边温度低于90℃时，温度变化带来的相关影响很小，可以忽略，这样温度漂移系数就能始终处于规范值之内。

第三，在电阻选择时，因为电流稳定度与电子档稳定度有着直接的关联，因此在电阻选择时不能采用普通电阻，应确保所选的电阻具有温漂系数低的特点，常规电阻温漂系数往往超过500ppm，而此时要求的电阻温漂系数需要在5ppm之内。

第四，在电源方面的要求，就是确保所选的电源在纹波与谐波方面较少，将非温度因素带来的影响降低。尤其是目前的很多测控系统都涉及了数字电路，所以还要做好数字电路与模拟电路的区分，在电源负极做好共地处理，以尽可能地降低偏差。

第五，在运算放大器方面，主要是选用场效应管来替代传统的晶体管，使得放大倍数和驱动能力还有基极电流得到有效提升。一般而言，放大倍数越大、穿透电流越小。温漂系数才能有效降低[2]。

4 基于恒压源的压控提升恒流源精度的实践分析

由于恒流源主要是在测试电路最前端，稳定性的高低，将直接对系统的性能带来影响，所以其关键就在于确保恒远流的高稳定度得到实现。因此，在本研究中，采用了以恒压源为前提的设计思路，利用恒压源具有稳定性较高的特点，将采取运算放大电路后，转换在恒流源之中，并设计了具有的电路。其中，在稳定度测试时，主要所采用HP-3468A型号的高精度电流表（台式）来进行，测试时长为48h，共获取数据约2万多条，通过对数据的梳理和设计实验的结果，当恒流源漂移率是3×10-3%/d时，且温漂系数是5.1×10-4%℃时，其稳定性和可靠性最佳。以下结合本设计实验，对恒压源的压控提升恒流源精度设计要点基于实证的方式进行研究。

4.1 电路优化要点

很多目前的很多测试系统需要确保电流从接地一端的负载电阻中流过，从而形成对地电压信号，而如果采用图1的电路，其将负载电阻与电源正极连接，因此与对地电压信号要求不足，所以在实际设计中，需要将与运放输入端连接的基准电压和采样电阻的公共端全部接入电源正极，而负载电阻则基地，为满足测试的需要，应对图1所示的电路图进行微调，调整后的电路图详见图2所示。

图2 实际电路

4.2 基准电压源的选择要点

在设计过程中，为确保得到的恒流源的精度更高，应切实做好器件型号的优选，由于上述已经在理论中说明，需要尽可能地选取低温漂元件，从而降低器件引发的温度漂移。为更好地进行选择，笔者选取几种常见的基准电压源进行了对比。具体情况如下：①LM336-5型的基准电压源，其基准电压为5V，温漂系数为30（单位为10-6/℃，下同），最大电流是10mA，采用的封装方式为TO-06；②LM336-2.5型的基准电压源，其基准电压为2.5V，温漂系数为20，最大电流是10mA，采用的封装方式为TO-06；③TC05型的基准电压源，其基准电压为2.5V，温漂系数为50，最大电流是20mA，采用的封装方式为DIP-8；④MAX673型的基准电压源，其基准电压为5V，温漂系数为2，最大电流是10mA，采用的封装方式为TO-99；⑤LM399型的基准电压源，其基准电压为6.95V，温漂系数为1，最大电流是10mA，采用的封装方式为TO-92；⑥MC1403型的基准电压源，其基准电压为2.5V，温漂系数在10到100之间，最大电流是10mA，采用的封装方式为DIP-8；⑦μPC1060型的基准电压源，其基准电压为2.5V，温漂系数在40以下，最大电流是10mA，采用的封装方式为DIP-8。

通过对这七种基准电压源进行对比和优选之后，发现第⑤种最佳，也就是LM399为系统的最佳基准电压源，因为其不仅电压温漂系数最低，而且性能也最佳。而①LM336-5和②LM336-2.5型的基准电压源，采用的是半导体表面齐纳击穿技术，所以噪声电压较高，而且稳定性不足。而其余4种要么就是电压温漂系数大，要么就是性能不佳，且大都是以半导体表面齐纳击穿技术制作而成，因为上述已经分析，采用这种技术制作的性能不佳，而LM399是采用次表面隐埋技术制作而成的齐纳稳压管，不仅稳定性高，而且噪声电压较低，加上其恒温特性较为明显，当环境温度在90℃以下时，温度变化给基准电压带来的影响可以忽略不计，温漂系数为1×10-6/℃，也就是标准值，而其余的六种基准电压源达不到这一标准。

4.3 运算放大器的选择要点

因为在上述理论中，对电阻和电源的选择要点进行了分析，且选择的难度低，在此不进行说明，主要是结合本次实践，对运算放大器的选择要点进行实证分析。在本设计实验中主要选用的运算放大器的性能分析如下：①OP07型运算放大器，采用的运放方式为低温漂，工作电压为±3.0-±16V，温漂系数为0.6，单价为2.5元一只，由A厂生产；②OP07型运算放大器，采用的运放方式为低温漂，工作电压为±3.0-±16V，温漂系数为0.6，单价为2.5元一只，由A厂生产；③INA128型运算放大器，采用的运放方式为高精密，工作电压为±3.0-±40V，温漂系数为0.5，单价为48.0元一只，由B厂生产；④INA620型运算放大器，采用的运放方式为仪表，工作电压为±2.3-±18V，温漂系数为0.6，单价为45.0元一只，由A厂生产；⑤AD707型运算放大器，采用的运放方式为低温漂，工作电压为±2.3-±22V，温漂系数为0.1，单价为25.5元一只，由A厂生产；⑥LM324型运算放大器，采用的运放方式为常规方式，工作电压为±1.5-±16V，温漂系数为7.0，单价为2.0元一只，由C厂生产。由于上述理论分析已经总结，为了将运算放大器引发的误差降低，需要采用温度漂移系数较小的运放方式，所以选用第⑤种作为本试验的运算放大器。此外，需要说明的是，在图2中，IRF530为场效应管，主要是从放大倍数和驱动能力以及基极电流三个方面综合分析后得到的，也与上述的理论要求相符[3-5]。

5 结语

综上所述，良好的器件必须要与科学合理的设计来结合，才能更好地将其优势发挥出来。本文结合恒压源的技术原理，精密恒流源的设计要点进行了分析和总结，采取理论与实践的方式，对本文提出的方案进行了初步论证，以期为实践应用提供相关的借鉴和帮助，以更好地满足智慧城市在电子技术方面的需要，为智慧城市的建设、管理和发展贡献绵薄之力。