恒流源實驗電路的設(shè)計

1、恒流源實驗電路的設(shè)計摘要：在模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)中，一般都沒有開設(shè)恒流源電路實驗。事實上，恒流源電路是一種應(yīng)用廣泛的電路。為此，設(shè)計了兩個恒流源電路，分別為負(fù)載懸浮式和負(fù)載接地式兩大類型，通過PSpice仿真與真實實驗相結(jié)合，使學(xué)生充分了解恒流源電路的工作原理以及影響因素，掌握其設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：恒流源PSpice集成運算放大器仿真恒流源，是一種能向負(fù)載提供恒定電流的電路，在電阻的測量、溫度的測量、金屬楊氏模量的測量等許多場合中得到了廣泛應(yīng)用1。目前，在國內(nèi)常見的模擬電子技術(shù)實驗教材中，少見有恒流源電路的實驗內(nèi)容，為此，有必要將一些典型實用的恒流源電路引入實驗教學(xué)，以增進學(xué)生的理解。Caden

2、ee公司的OrCAD/PSpice16.3（本文簡稱PSpice）是一套功能強大的EDA軟件，日益成為世界上越來越多的科研和工程技術(shù)人員進行仿真計算的必備工具，利用軟件進行電路的輔助設(shè)計，對于在真實當(dāng)中不方便試驗的一些因素（如變化的負(fù)載、溫度等）都可以進行仿真。本文運用PSpice仿真工具，設(shè)計了兩個高精度的恒流源電路，利用其強大的仿真功能和方便易用的圖形后處理功能，對恒流源電路的負(fù)載影響以及溫度影響進行了仿真分析，結(jié)果證明是可行的，運用PSpice的分析方法也具有很好的借鑒意義2。1負(fù)載懸浮式的恒流源實驗電路設(shè)計圖1負(fù)載懸浮式的恒流源電路1.1理論分析實驗電路如上圖1,在該電路中，負(fù)載RL串

3、接在集成運放反向輸入端與晶體管Q1發(fā)射極之間。由Q1、R2、RL構(gòu)成了負(fù)反饋支路，在晶體管Q1工作在正常的放大區(qū)條件下，考慮集成運算放大器輸入阻抗極高，可近似為理想運算放大器。根據(jù)理想運放的特點，利用虛短”特性，可知流經(jīng)負(fù)載RL的電流：該電流只與輸入電壓V1和R1有關(guān)，與RL無關(guān)，故是恒流源電路。通過改變輸入電壓V1和R1,就可以實現(xiàn)恒流范圍的變化。1.2負(fù)載特性分析本例中設(shè)計的恒流源電流較大，對負(fù)載的功率有一定要求，如果使用者不注意恒流源的負(fù)載特性，就可能會導(dǎo)致負(fù)載電阻的燒壞，但是在軟件仿真當(dāng)中不必?fù)?dān)心。在圖1中選取負(fù)載RL，設(shè)置其Value二RL，放置參數(shù)元件PARAM，并在其屬性中增加一

4、行RL=1.5愆保持V1、R1不變，在分析設(shè)置里選擇DCSWEEP，掃描變量選擇全局參數(shù)RL,設(shè)定RL變化范圍為從0.1Q到10Q,步進為0.1莒進行仿真計算，即可得到流經(jīng)負(fù)載電流IRL的圖形，從中可知：當(dāng)負(fù)載電阻RL在07.5Q時，輸出電路IRL為1A，當(dāng)負(fù)載為9Q時,IRL=985.6mA，誤差為1.44%;當(dāng)負(fù)載為10Q時，IRL=975.2mA，誤差為2.48%。事實上，對于大電流恒流源而言，負(fù)載電阻一般很小，所以該恒流源在負(fù)載為08Q范圍內(nèi)，精度都很高，實用性強。如果學(xué)生在實驗使用時，輸入電壓V1開始不要調(diào)大，否則很容易燒掉負(fù)載。1.3電路的溫度特性分析設(shè)計的恒流源電路除了要考慮負(fù)載

5、特性外，還需要考慮環(huán)境溫度可能產(chǎn)生的影響。在本電路中，選取負(fù)載電阻RL=1.5Q,功率2W,設(shè)置電路工作環(huán)境溫度分別為-50C50C，步進為1C,在軟件中對電路進行溫度掃描分析，可得到圖形，從圖中可知，當(dāng)溫度在-50C0C時，輸出電流IRL隨溫度近似線性增長；當(dāng)溫度在OC50C時，輸出電流IRL=1A。當(dāng)溫度在-50C時，IRL=858mA，誤差為14.2%;當(dāng)溫度在-10C時，IRL=971mA,誤差為2.9%。所以對于該1A恒流源電路，實際工作中最好選擇在溫度為0C以上，這樣能更好保證電流的精度。2負(fù)載接地式恒流源實驗電路設(shè)計圖4負(fù)載接地式恒流源電路2.1理論分析設(shè)計的負(fù)載接地式恒流源電路

6、如上圖4,由于集成運放IC1、IC2輸入阻抗極高，可近似為理想運算放大器。在圖中，針對集成運放IC1,其反向輸入端電壓為：根據(jù)疊加定理，可知運放IC1同相輸出端電壓為：由于集成運放IC2實際上構(gòu)成了一個跟隨器電路，其目的是為了將輸入端與輸出端隔離，避免輸入信號對輸出產(chǎn)生影響，所以有：從以上分析可知，該電路輸出電流IO與負(fù)載RL無關(guān)，所以是恒流源電路。如在圖中取V1=2.5V,Rf=250Q,R仁10kQ,RB=20D,晶體管選Q2N3904，即可以得到輸出電流為10mA的恒流源電路。2.2負(fù)載特性分析在ORCAD軟件當(dāng)中建立電路圖，選取負(fù)載RL為可變負(fù)載，變化范圍為從0.1Q到2kQ,步進為1

7、Q,進行仿真計算，即可得到流經(jīng)負(fù)載電流IRL的圖形。從圖中可知：負(fù)載電阻RL在0Q1.1kQ時，輸出電路IRL為10mA;當(dāng)負(fù)載為1.5kQ時，IRL=7.94mA,誤差為2%;當(dāng)負(fù)載為2kQ時，IRL=6.18mA，誤差為3.82%所以為保證該10mA電流源精度，負(fù)載最好不要超過1.5k專目前，工業(yè)過程控制中常用的恒流負(fù)載一般在0750Q，通過采用該電路，大大增加了負(fù)載能力。2.3電路的溫度特性分析在本電路仿真中，選取負(fù)載電阻為250Q,設(shè)置電路工作環(huán)境溫度分別為-50C50C，在軟件中對電路進行溫度掃描分析，即可得到電流圖形。從圖形中可知，當(dāng)溫度在-50C,IRL=9.997mA，誤差為0

8、.03%;當(dāng)溫度在+50C時，IRL=9.996mA,誤差為0.04%。所以對于該10mA電流源，溫度的影響不大。值得注意的是，同樣要用該電路實現(xiàn)一個1A的電流源時，其溫度敏感度將大大增強。3結(jié)語本文介紹了兩種簡單實用的恒流源電路，分別是負(fù)載懸浮型與負(fù)載接地型，并在ORCAD/PSPICE16.3軟件中分別舉例實現(xiàn)了一個1A的電流源以及一個10mA的電流源，并對電路的負(fù)載特性、溫度特性進行了仿真分析，結(jié)果證明其在一定范圍內(nèi)精度較高，具有很好的通用性。由于恒流源的穩(wěn)定性主要取決于集成運算放大器以及采樣電阻，所以在實際應(yīng)用當(dāng)中要注意選擇高精度的運算放大器芯片(如OP07等)以及溫漂小的電阻(普通電阻的溫漂系數(shù)大約在0.05%/C以上，此電路中R可選取溫漂系數(shù)為5XlO-4%/C的電阻)，要根據(jù)電流的大小選擇合適的晶體管或場效應(yīng)管3。目前，該兩種電路已分別在某工業(yè)控制產(chǎn)品中得到了應(yīng)用，通過在實驗項目中引入這兩個電路，讓學(xué)生得到了訓(xùn)練，了解了恒流源電路的原理及應(yīng)用特點。參考文獻凌向虎.自制恒壓恒流電源在物理實驗中的應(yīng)用J.物理與工程，2008,18