基于mos場(chǎng)效應(yīng)管的恒流源設(shè)計(jì)

基于mos場(chǎng)效應(yīng)管的恒流源設(shè)計(jì)

1恒流源的選擇恒流源廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代測(cè)量和測(cè)試領(lǐng)域。文獻(xiàn)介紹，使用恒流源供電可以提高標(biāo)準(zhǔn)燈的穩(wěn)定性。在文獻(xiàn)中，恒流源的阻力法比用伏安法更準(zhǔn)確。恒流源按照恒流器件不同可分為晶體管恒流源、集成電路恒流源、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源。晶體管恒流源的電流控制器件穩(wěn)流精度不高;集成電路恒流源適合小電流恒流但很難做大;場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件,它的輸入電阻非常高。柵極幾乎不取電流,非常適合作恒流源的調(diào)整管。本設(shè)計(jì)用P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)的恒流源精度優(yōu)于0.5%.2恒流源電路的設(shè)計(jì)圖1是場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。從轉(zhuǎn)移特性曲線上,我們知道場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電流Id由它的柵源電壓決定;在輸出特性曲線上,場(chǎng)效應(yīng)管工作可以分為四個(gè)區(qū):可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(放大區(qū))、擊穿區(qū)、夾斷區(qū)。在可變電阻區(qū)漏源電流隨漏源電壓、柵源電壓的增大而增加;在恒流區(qū)漏源電流為恒定值,其大小由柵源電壓控制,隨著漏源電壓的繼續(xù)增大場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入擊穿區(qū),管子會(huì)損壞,當(dāng)柵源電壓低于管子的開啟電壓時(shí),管子進(jìn)入夾斷區(qū),漏極源極上幾乎沒有電流流過。因此只要讓管子工作在恒流區(qū),就能實(shí)現(xiàn)恒流,并且改變柵源電壓就能改變恒流的大小?；趫?chǎng)效應(yīng)管的恒流源電路原理圖如圖2所示,電流經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為采樣電壓。采樣電壓經(jīng)運(yùn)放A2反向放大后作為反饋電壓VF送入運(yùn)放A1的同相端,與基準(zhǔn)電壓VR進(jìn)行比較,對(duì)柵極電壓進(jìn)行調(diào)整,從而對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整,使整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡中,以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。如果輸出電流增大,則采樣電阻上的采樣電壓隨之增大,反饋電壓VF也增大,運(yùn)放A1同相端電壓增大,而基準(zhǔn)電壓不變,運(yùn)放A1的輸出電壓為(VF-VR)K(K為運(yùn)放A1的開環(huán)增益),因此運(yùn)放A1的輸出電壓降低,柵極電壓下降從而使輸出電流下降,使輸出電流保持穩(wěn)定。利用運(yùn)放的虛短、虛斷及相關(guān)的公式,可以推導(dǎo)出VR與Id的關(guān)系:可見輸出電流只和電阻R,R1,R2,VR有關(guān),與場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)無關(guān)。只要選擇合適的電阻和基準(zhǔn)源,就能實(shí)現(xiàn)恒流。在理想情況下R1,R2,R都是恒定不變的,由式(1)可知輸出電流Id與基準(zhǔn)源電壓VR成線性關(guān)系。但在實(shí)際情況中電阻的溫度系數(shù)和電壓基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)將影響輸出電流的穩(wěn)定性,對(duì)式(1)進(jìn)行全微分:式中包括4項(xiàng),其物理意義分別是:表示基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。表示反饋電阻R2不穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。表示反饋電阻R1不穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。表示采樣電阻不穩(wěn)定產(chǎn)生的影響。由于采樣電阻R一般取0.1×1Ω,反饋網(wǎng)絡(luò)電阻R1、R2為104或105數(shù)量級(jí),基準(zhǔn)電壓VR常由集成基準(zhǔn)電壓芯片產(chǎn)生,其數(shù)值一般不超過5V。因此有|α4dR|>|α1dVR|,α2≈α3,這說明影響輸出電流穩(wěn)定度的主要因素是電壓基準(zhǔn)源的穩(wěn)定度和采樣電阻的溫度系數(shù),另外運(yùn)放和場(chǎng)效應(yīng)管的選擇也會(huì)影響到恒流源的精度。3采樣電阻的選用根據(jù)上面的分析可知影響恒流源穩(wěn)定性的主要因素是基準(zhǔn)電壓VR和采樣電阻R?；鶞?zhǔn)電壓采用集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器TL431。它的參考電壓Vref典型值為2.495V、輸出電壓從Vref到36V、溫度系數(shù)為30×10-4/℃、輸出阻抗0.2Ω,低噪聲、工作電流1mA~100mA。其工作電路如圖3所示?；鶞?zhǔn)電壓VR由參考電壓Vref經(jīng)電阻R1、RP分壓獲得,調(diào)整RP的大小可以改變基準(zhǔn)電壓VR。由于采樣電阻上流過的電流很大,為了減小功耗和發(fā)熱,采樣電阻取值要求比較小。根據(jù)電流的大小和功耗一般取值在0.1Ω~1Ω。本設(shè)計(jì)采用高精度金屬殼散熱式電阻,它具有體積小、精度高、功率大等優(yōu)點(diǎn),阻值為0.4Ω。另外在接線的時(shí)候要注意采樣電阻接地端的導(dǎo)線要盡可能的短,導(dǎo)線過長導(dǎo)線的電阻與取樣電阻相比不可忽略,而且導(dǎo)線的電阻穩(wěn)定性很差。導(dǎo)線上的電壓降會(huì)影響反饋電壓的穩(wěn)定性,導(dǎo)致恒流源的穩(wěn)定性下降。運(yùn)放要選擇失調(diào)電壓小、溫漂小、增益大的型號(hào),本設(shè)計(jì)采用通用運(yùn)放uA741,其開環(huán)增益為105,失調(diào)電壓1mV,失調(diào)電流20nA。反饋電阻R1、R2選用高精度電阻。由于采樣電阻的阻值與標(biāo)稱值有一定的誤差,因此在反饋電阻上串聯(lián)一個(gè)高精度的可調(diào)電阻用來對(duì)反饋電壓進(jìn)行微調(diào),使輸出電流保持在預(yù)定值。場(chǎng)效應(yīng)管選擇摩托羅拉公司生產(chǎn)的P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管MTD2955E。它的最大漏極電流12A,最大工作電壓60V,最大功耗75W。另外由于流過場(chǎng)效應(yīng)管的電流大。場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)熱會(huì)很嚴(yán)重。為了保證恒流源的穩(wěn)定和場(chǎng)效應(yīng)管不被損壞,要給場(chǎng)效應(yīng)管加裝散熱片。散熱片的大小可以根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的功耗、熱阻進(jìn)行選擇。4采樣電阻選擇電路調(diào)試完畢以后,通過調(diào)整電位器RP改變基準(zhǔn)電壓VR的大小來控制恒流源的輸出電流的大小。在穩(wěn)定性分析中我們知道采樣電阻的溫漂是影響輸出電流穩(wěn)定的主要因素。在供電電壓為27V、采樣電阻為0.4Ω、預(yù)熱15min后每隔10min測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示?？梢姴蓸与娮璧臏囟入S著時(shí)間的增加而增大,在一定時(shí)間后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。達(dá)到平衡后輸出電流幾乎不再發(fā)生變化。因此采樣電阻要選擇溫度系數(shù)小、散熱好的電阻。在電路設(shè)計(jì)中場(chǎng)效應(yīng)管的散熱也是一個(gè)需要解決的問題。在場(chǎng)效應(yīng)管的破壞性試驗(yàn)當(dāng)中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管MTD2955E的溫度達(dá)到80℃~95℃時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)損壞,并且場(chǎng)效應(yīng)管功耗只能達(dá)到最大功耗的2/3左右。功耗再增大也容易損壞場(chǎng)效應(yīng)管。其中一組數(shù)據(jù)如表2。由此可見場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)熱量非常的大,需要采用面積很大的散熱片,其面積可根據(jù)相關(guān)的公式計(jì)算得到。為了減少散熱片的面積,采用風(fēng)冷方式散熱,效果更好。在解決散熱問題后,當(dāng)供電電壓為27V、采樣電阻為0.4Ω下預(yù)熱15min每隔10min測(cè)得的數(shù)據(jù)如表3、表4所示。表3中輸出電流的平均值為,標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.0085A,穩(wěn)流精度表4中輸出電流的平均值為,標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.0086A,穩(wěn)流精度.最后我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)2A恒流源其測(cè)得的數(shù)據(jù)如表5。輸出電流的平均值為,標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.0088A,