基于运放的精密恒流源电路设计及分析
基于运放的精密恒流源电路设计及分析
常见的TL431与晶体管搭建的恒流源有着温度系数小、电流精密度高等优点，但这种恒流源的电源电压变化会影响到输出电流的大小，且负载对于恒流源也有影响。采用7805和场管对TL431电路改进后，精度有所提高，但是还是易受外部干扰。本设计采用高精度电压基准，采用仪用运放INA118和低偏置电流运放OPA602构建成而成，误差在1uA以内，相比之下有明显的优越性能，实际应用中稳定。
0引言：随着测控技术的发展，对于高精度仪器仪表要求越来越高，在许多测量仪器中需求高精度恒流源，而传统的恒流源电路已经不能满足现在测量仪器的需求。因此，对于高精度的恒流源的设计在应用中很有价值。
TL431与晶体管搭建的恒流源是常见一种恒流源电路，而且电路设计简单、成本低、原理简单、精度高以及温漂小，但这种恒流源电路输出的电流会受输入电源电压的变化而改变。为了减小输入电压对恒流源的影响，本设计采用高精度电压基准LM399，采用仪用运放调节电压，采样电阻采用高精度的金属箔电阻。
1 常见恒流源电路分析
常见的恒流源基于TL431的基础上进行改进，图1中RS为基准电阻，理论运算Isink=VREF/RS,负载接在电源电压和晶体管的集电极之间。此电路中TL431起到电压基准稳定作用，温漂50ppm/。C，如果电压基准不变，那么基准电阻上的电流就不变。然后利用NPN的集电极电流与发射极的电流近似相等使Isink保持恒定。很明显晶体管的基极存在漏电流，根据KCL原理可知，漏电流的存在使负载电流变小，以至恒流源负载的变化对恒流源的影响也较大。简易改进，电源电压输入端增加7805稳定电压，晶体管换成场效应管，提高了输入电压基准的稳定性，减小了漏电流，相对恒流效果好些。
2 采用运放恒流源电路分析
改进电路依照运放OPA602在理想状态下的虚短、虚断原理而设计。改进输入基准电压的稳定性和减小输出电流受负载的影响。电路设计原理图如图2所示。运放电路采用LM399，温漂0.5ppm/。C，输出电压6.95V。经过仪用运放INA118进行放大，温漂0.5uV/。C。进过低偏置电流运放OPA602，偏置电流1pA。恒流理论运算为IOUT=VREF/RS,基准电阻为RS，即电路中的R6。利用虚短原理，运放INA118输出电压VREF=VR6,利用虚断原理，IREF=0,IOUT=IR6。基准电阻采用金属箔电阻，精度千分之一的10K电阻，温漂低。对于数控恒流源直接对于电压基准进行修改即可，数字量对应电压输出控制恒流，原理同上。
3、实际电路性能测试
对于TL431和晶体管构建的数据测试如表1所示，测试条件采用SS3323可跟踪直流稳
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编号 |
时间 |
电流（mA） |
|
1 |
10:54:00 |
1.135 |
|
2 |
10:55:00 |
1.134 |
|
3 |
10:56:00 |
1.135 |
|
4 |
10:57:00 |
1.131 |
|
5 |
10:58:00 |
1.135 |
|
6 |
10:59:00 |
1.038 |
|
7 |
11:00:00 |
1.135 |
|
8 |
11:01:00 |
1.135 |
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9 |
11:02:00 |
1.12 |
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10 |
11:03:00 |
1.135 |
Tab.1 TL431 and transistor test data
压电源，输出12V，电流测试UT61E万用表。整体数据有些波动，主要受输入电源电压影响，而且该恒流源负载电阻不能超过2K，同时易受外界温度影响。采用7805和场管
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编号 |
时间 |
电流（mA） |
|
1 |
9:44:00 |
0.806 |
|
2 |
9:45:00 |
0.805 |
|
3 |
9:46:00 |
0.804 |
|
4 |
9:47:00 |
0.804 |
|
5 |
9:52:00 |
0.804 |
|
6 |
9:52:30 |
0.803 |
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7 |
9:54:00 |
0.803 |
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8 |
9:55:00 |
0.804 |
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9 |
9:55:30 |
0.803 |
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10 |
9:56:00 |
0.802 |
Tab.2 TL431 improved circuit test data
后测试数据有所改善。测试数据如表2所示。测试条件一样。采用运放设计的恒流源电路测试数据如表3所示，测试条件采用电源输出为15V，电流测量采用FLUKE 17B万用表,
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编号 |
时间 |
电流(mA) |
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1 |
19:29:00 |
0.998 |
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2 |
19:30:00 |
0.999 |
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3 |
19:31:00 |
1 |
|
4 |
19:32:00 |
0.999 |
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5 |
19:33:00 |
1 |
|
6 |
19:34:00 |
0.999 |
|
7 |
19:35:00 |
0.999 |
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8 |
19:36:00 |
1 |
|
9 |
19:37:00 |
0.999 |
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10 |
19:38:00 |
1 |
Tab.3 Based on the op-amp constant current source test data
其他条件一样。从测试数据可以看到基于运放的恒流源稳定性明显
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