高精度线性电流源的设计与实现

【摘要】本文通过对基本电流源的电路结构和工作原理进行分析，提出高精度电流源的设计方案，该方案采用由低噪声的运算放大器构成的反馈型电路来设计，并且给出了具体的硬件原理图。分析了影响电流源精度的一些关键因素，实验结果表明：设计的电流源能够满足高精度航空电机的控制需求。该电路具有高可靠性，设计方式灵活，具有很好的使用价值。

【关键词】运算放大器；电流源；V-I转换

电流源驱动电路是能够对外输出可调直流的电路，在各类控制系统中，线性电流源输出驱动各种直流负载设备，这类负载对电源源的要求不同于一般电流源电路，直流驱动电路通常要求具有较高的精度且电流大小可调。本文介绍的V-I转换电路。主要采用集成运放芯片和场效应管构成，电路设计简单，元器件使用种类少，电流输出精度高，满足了高精度航空电机的使用要求。

1.系统方案

在本控制系统中，控制系统依据上位机发出的命令来驱动外部负载。控制系统中的主控制器负责响应上位机命令输出控制电压信号，电流输出单元中V-I变换电路将产生一个与控制电压信号成正比的电流源，该电流源经过接口防护电路输出至电机负载。

本设计中关键电路是V-I转换电路，通常设计的V-I转换电路是采用XTR110、XTR112等国外集成芯片，通常这类芯片其输出电流大小受制于芯片体积，输出电流较小，同时这类进口元器件成本较高。而本文设计的V-I转换电路是主要采用集成运放及场效应管构成，电路便于实现且成本较低。

图1 系统结构框图

2.数字控制电路

数字控制电路中主控制器完成控制命令的输出及运算功能。D/A输出电路将控制命令转换为0～10V直流电压输出，D/A芯片选用AD公司的AD664，AD664芯片可同时产生四路相互独立控制的电压输出，输出精度选择为12位，满足控制电压输出的高精度要求。

A/D采集电路对输出的电流源进行实时监控，确保输出的电流值与上位机的指令要求一致，A/D采集芯片选用AD公司的12位并行模/数转换的单片集成电路AD1674。它采用逐次逼近工作方式，转换速度快，采样频率可达100KHZ，且片内自带有采样/保持器和具有三态输出的缓冲器，电路设计简单。

3.模拟调理单元

3.1 基本镜像电流源

基本镜像电流源原理图如图2所示。其中晶体管T1，T2参数完全相同，为晶体管电流放大系数，，ICEO为穿透电流，ICEO1=ICEO2，由于两个晶体管具有相同的基-射极间电压（VBE1=VBE2），故（IE1=IE2），（IC1=IC2），则当较大时，基极电流IB可以忽略，所以T2的集电极电流IC2近似等于基准电流IREF，即：

（1）

由上式可以看出，当R确定后IREF就确定了，也随IREF而定。我们可以把IC2看作是IREF的镜像，所以称为镜像电流源。

图2 基本镜像电流原理图

3.2 V-I变换电路

图3 V-I变换电路结构图

根据基本镜像电流源原理以及理想运放虚断、虚短性质，本文所设计的V-I变换电路如图2所示，其中，第一部分电路中误差放大器N1与晶体管Q1组成负反馈放大回路，通过负反馈的作用，使放大器N1工作在负反馈放大状态，根据放大器虚断、虚短特性：

放大器N1的同相输入端和反相输入端的电压是相等的，即有晶体管Q1的射极电压VE1等于输入电压VIN，则流过电阻R1两端的电流如下：

IE1-VIN/R1 （2）

晶体Q1工作在放大状态下，则有集电极电流IC1近似等于发射极电流IE1，即；

IC1-IE1 （3）

第二部分电路由误差放大器N2和电阻R2、R3以及Q2构成镜像电流源电路，由虚短定理，同相端和反相端的电压差接近零，所以采样电阻R2上的电压降等于电阻R3上的电压降，最后输出电流IL通过功率管Q2进行电流源输出。

（4）

电阻参数选择如下：

R1=5000Ω，R2=500Ω，R3=10Ω；

VIN的输入范围为0～10V；则由公式4可知，则对应输出电流的可调范围为范围为0～100mA；

3.3 测量保护电路

通过监测电流或电压来了解电路工作是否正常，对电路实现有效的控制，使电路运行正常。电流监测器采用MAXIM公司的MAX4080，该芯片具有宽输入共模电压范围（4.5～76V）；可单向或双向监测电流。

图3中RSENSE是采样电阻，RSENSE=10mΩ，VSENSE是检测电压（VSENSE=RSENSE×ISENSE），ISENSE是被监测的电流。OUT端输出的电压VOUT=VSENSE×Av，式中Av为放大器的增益，本系统中Av=60。既有：

VOUT=RSENSE×ISENSE×Av （5）

本系统正常输出电流源范围为0～100mA，则VOUT的正常输出范围为0～60mV。

图4 电流采样电路图

4.负载特性

电流输出的外部接口为力矩电机。力矩电机作为电流负载，正常情况下线圈阻值为50Ω，系统要求在外部负载工作正常（50±10Ω）同时在外部短路情况下设备可进行保护及告警功能。

4.1 正常工作状态

当正常工作时，外部负载的最大电阻为Rf=60Ω，此时可算出本系统所能输出的最大电流：

IL=15V/（R3+R4+R5）=15/（10+0.01+60）=0.21A

（6）

此时运放的输入电压为15-10*0.21= 12.9V，满足运放的工作条件。

经过以上分析可以得出伺服阀负载为60Ω时，此时本系统可输出的范围是0mA～210mA，远远满足系统要求（系统要求输出0～100mA可调）。

4.2 外部负载短路

当伺服阀一个线圈短路时，此时系统所能输出的最大电流：

IL=15V/（R3+R4）=15/（10+0.01）=1.49A （7）

采样电阻R4为大功率精密采样电阻，在此负载短路条件下可正常工作，反向保护二极管V1的额定电路为1.5A，在此负载短路条件下也可正常工作；

在此负载短路情况下，根据公式5计算可知此时VOUT为894mV，系统通过A/D采集结果判断外部负载短路情况，及时切断电流源输出，系统完成短路保护。

5.误差分析

由式（3）式可知输出电流源IL只和电阻R1、R2、R3及VIN有关，与场效应管的参数无关。因此只要选择合适的电阻和基准电压VIN，就能实现线性电流源的输出，由式（3）可知输出电流源IL只与基准源电压VIN成线性比例关系，在本系统中基准电压VIN由数字控制单元发出的D/A电路发出，该部分误差可以通过软件参数调整来消除，因此电阻R1、R2、R3为最主要的误差来源，为此电阻R1、R2、R3须选择精度高、温度系数小的材料类型的电阻。精密金属膜电阻的温度系数和时效变化都比较小，在本系统中电阻选用精度为：±0.05%；电阻温度系数：±25ppm/℃。

在上述V-I变换电路中的运放的失调电压、温漂等均会影响电流源的精度，本电路中的放大器都工作在共模输入状态下，因此需选择共模抑制比高、开环放大倍数大的运放，以减少输出电流误差。本设计采用NSC公司的LF147，该芯片为双极性场效应晶体管（Bi-FET）的输入级结构，输入阻抗大于1012Ω，偏执电流仅为50pA，失调电压为5mV，具有高输入阻抗、低输入偏置电流[2]。

表1 电流源输出值

理论值

实际值 0

（mA） 30

（mA） 60

（mA） 100

（mA）

A通道 0 29.52 69.48 99.45

B通道 0 29.60 69.30 99.22

C通道 0 29.61 69.53 99.44

D通道 0.06 29.91 69.85 99.90

6.测试验证

测试验证与误差分析实验测试结果如表1所示，负载电阻为50Ω，通过对4个通道的输出值进行统计，满量程最大偏差值为0.78%，测试的结果稳定性好、精度较高，可以满足高精度线性电流源的输出要求。

7.结束语

本文在充分考虑低成本的条件下设计了由运算放大器及场效应管构成的镜像电流源，该电路具有电路简单、线性度高的特点，经过测试证明该电流源精度高，稳定性好，电流源的输出电流对温度、电源电压、负载阻抗的变化及干扰有很强的抵抗能力，工程实用价值显著。

参考文献

[1]康华光，陈大钦.电子技术基础[M].高等教育出版社.

[2]LF147 Operational Amplifiers Data Manual[Z].National Semiconductor，1999.

作者简介：席鹏（1980―），男，陕西耀州人，工程师，研究方向：计算机及应用。