CN101957626B - 一种可提高恒流源精度的恒流源电路 - Google Patents
一种可提高恒流源精度的恒流源电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种可提高恒流源精度的恒流源电路，由三端并联稳压器构建，包括一个三端并联稳压器、一个降压电阻、一个供电电源、一个基准电阻、一个负载及一个三极管，进一步包括一个运算放大器、一个导流电阻及一个补偿电阻；三端并联稳压器公共端连接运算放大器负输入端，导流电阻连接在运算放大器的负输入端和电源地Gnd之间，三端并联稳压器输出端接运算放大器输出端，基准电阻连接在三端并联稳压器的调节端和运算放大器正输入端之间，降压电阻连接在供电电源Vcc和三极管基极之间，三极管基极连接运算放大器输出端，三极管集电极连接供电电源Vcc，三极管发射极连接三端并联稳压器调节端，补偿电阻与负载连接在运算放大器正输入端和电源地Gnd之间。
Description
技术领域
本发明与恒流源电路有关，具体涉及一种提高恒流源精度的恒流源电路。
背景技术
随着电子技术的迅速发展，恒流源电路已经得到广泛应用，恒流源电路主要用于对电流稳定性要求较高的电路。如图1、2所示，采用三端稳压器与基准电阻构成恒流源已经成为构建恒流源的一个简单、快捷的方式。
图1所示是目前常用的由三端并联稳压器构建的恒流源电路。三端并联稳压器U1将基准电阻R2两端的电压保持为一个基准值VRef，恒流源电路的电流Ib＝VRef/R2，该电流由三极管Q1提供。由图1可以看出，本恒流源电路的期望输出电流Io＝Ib＝VRef/R2，而实际输出电流Io＝Ia+Ib。显而易见，本电路的缺点是三端并联稳压器U1的调节电流Ia同时汇入到电流Io中，影响了本恒流源电路的精度。
图2所示是目前常用的由三端串联稳压器构建的恒流源电路。三端串联稳压器U2将基准电阻R4两端的电压保持为一个基准值V’Ref，恒流源电路的电流I’b＝V’Ref/R4，该电流由三端串联稳压器U2直接提供。由图2可以看出，本恒流源电路的期望输出电流I’o＝I’b＝V’Ref/R4，而实际输出电流I’o＝I’a+I’b。显而易见，本电路的缺点是三端串联稳压器U2的调节电流I’a同时汇入到电流I’o中，影响了本恒流源电路的精度。
通过上述两图所示电路总结出采用三端稳压器构建恒流源的方式：由三端稳压器提供一个基准电压，通过调节基准电阻的阻值来调节恒流源电路中的电流，实现恒流输出。由于三端稳压器的电压温度系数很小，当选用电阻温度系数同量级的基准电阻后，整个恒流源电路的电流温度系数会很小，电路中不需要再额外添加温度补偿电路，实现起来简单、方便。由图1、图2可见，三端稳压器将基准电阻两端电压稳定在一个基准值的同时，内部的调节电流亦会汇入到恒流源电路中。不同的三端稳压器调节电流不同，由几十μA至几十mA不等。在普遍的由三端稳压器构建的恒流源电路中，通常会将这个调节电流的影响忽略不计。但是，若期望进一步提高恒流源的精度，或者将恒流源电路应用至小电流电路中(恒流值从几mA至几百mA)，则需要考虑调节电流的影响。
发明内容
本发明的目的是针对目前常用的恒流源电路的不足，提供一种提高恒流源精度的恒流源电路：通过在电路中增加运算放大器，消除调节电流的影响，提高恒流源精度。
一种可提高恒流源精度的恒流源电路，该电路是由三端并联稳压器构建的，包括一个三端并联稳压器、一个降压电阻、一个供电电源、一个基准电阻、一个负载及一个三极管，其特征在于：该电路进一步包括一个运算放大器、一个导流电阻及一个补偿电阻；三端并联稳压器的公共端连接运算放大器的负输入端，导流电阻连接在运算放大器的负输入端和电源地Gnd之间，三端并联稳压器的输出端接运算放大器的输出端，基准电阻连接在三端并联稳压器的调节端和运算放大器的正输入端之间，降压电阻连接在供电电源Vcc和三极管基极之间，三极管基极连接运算放大器的输出端，三极管集电极连接供电电源Vcc，三极管发射极连接三端并联稳压器的调节端，补偿电阻与负载连接在运算放大器的正输入端和电源地Gnd之间。
利用运算放大器输入端电压相同的原理，保证了基准电阻两端的电压即为三端并联稳压器的基准电压；利用导流电阻吸收三端并联稳压器的调节电流，保证恒流源电路的输出电流不受调节电流的影响，提高了恒流源的精度。
一种可提高恒流源精度的恒流源电路，该电路是由三端串联稳压器构建的，包括一个三端串联稳压器、一个供电电源、一个基准电阻及一个负载，其特征在于：该电路进一步包括一个运算放大器及一个补偿电阻；三端串联稳压器的输入端连接供电电源Vcc，三端串联稳压器的调节端连接运算放大器的输出端，运算放大器的负输入端连接运算放大器的输出端，基准电阻连接在三端串联稳压器的输出端和运算放大器的正输入端之间，补偿电阻与负载连接在运算放大器的正输入端和电源地Gnd之间。
通过运算放大器构建一个电压跟随器，保证运算放大器的输出电压与输入电压相同，由此保证了基准电阻两端的电压即为三端串联稳压器的基准电压；利用运算放大器的输出端吸收三端串联稳压器的调节电流，保证恒流源电路的输出电流不受调节电流的影响，提高了恒流源的精度。
本发明的优点是：
1、通过运算放大器等构建导流回路，吸收三端稳压器的调节电流，提高了恒流源的精度。
2、对原电路改动不大，易于实现，成本低。
附图说明
图1是目前常用的由三端并联稳压器构建的恒流源电路原理图；
图2是目前常用的由三端串联稳压器构建的恒流源电路原理图；
图3是本发明的一个实施方案的电路原理图；
图4是本发明的另一个实施方案的电路原理图；
图5是一个实施方案的电流误差对比曲线图；
图6是另一个实施方案的电流误差对比曲线图。
具体实施方式
实施方案1
本发明的恒流源电路如图3所示，本电路是对图1所示恒流源电路的改进。
在图3所示的恒流源电路中，运算放大器U3的负输入端接三端并联稳压器U1的公共端A，导流电阻R7连接在运算放大器U3的负输入端和电源地Gnd之间。运算放大器U3的输出端连接三极管Q1的基极，三端并联稳压器U1的输出端C连接三极管Q1的基极，降压电阻R1连接在供电电源Vcc和三极管Q1的基极之间。三极管集电极连接供电电源Vcc，三极管发射极连接三端并联稳压器的调节端R。基准电阻R2连接在三端并联稳压器U1的调节端R和运算放大器U3的正输入端之间。补偿电阻R6连接在运算放大器U3的正输入端和负载R3之间，负载R3连接在补偿电阻R6和电源地Gnd之间。
本电路中，三端并联稳压器U1的调节端R与公共端A之间的电压为VRef，即VR-VA＝VRef。根据运算放大器的原理，可知运算放大器U3的正负输入端电压相等，即V+＝V-。故基准电阻R2两端的电压VR2＝VR-V+＝VR-V-＝VR-VA＝VRef。为了保证三端并联稳压器U1的调节端R和公共端A之间的电压恒为VRef，三端并联稳压器U1的输出端C至公共端A始终有调节电流Ia通过，运算放大器U3的输入端阻抗很大，故调节电流Ia基本都从导流电阻R7上通过。根据运算放大器原理，可知运算放大器U3的正输入端电流基本为零，故最终至负载的电流Io＝Ib，即Io＝VRef/R2。
为了保证负载R3可以从零变化，在恒流源电路的输出端增加补偿电阻R6。因为三端并联稳压器U1从输出端C至公共端A始终有调节电流Ia存在，故运算放大器U3的负输入端上对地始终有电压存在，即V-≠0。若未增加补偿电阻R6，则当负载R3为零时，运算放大器U3正输入端对地电压V+＝0。则整个电路不平衡，无法保证基准电阻R2两端的电压始终为三端并联稳压器U1的基准电压VRef，即无法实现恒流。
相对于图1所示的恒流源电路，本发明的恒流源电路消除了三端并联稳压器U1的调节电流Ia对恒流源电路的影响，保证了恒流源电路的实际输出电流IO即为期望输出电流VRef/R2。
本电路中采用的元器件型号参数为：
三端并联稳压器U1：TL431；
运算放大器U3：LM158；
三极管Q1：S9013；
电阻R1：400Ω，R2：199.1Ω，R3：0～300Ω，R6：100Ω，R7：100Ω。
如图5所示，负载R3在0～300Ω内变化，采用四位半万用表读取负载R3在0Ω、50Ω、100Ω、150Ω、200Ω、250Ω、300Ω七个阻值上的电压，由此计算出当前阻值下负载R3上通过的电流。图中实线部分表示采用了本发明的恒流源电路后，输出电流Io的绝对误差变化；虚线部分表示图1所示恒流源电路的输出电流Io的绝对误差变化。整个变化过程中，图1所示电路的基准电阻R2两端的电压变化范围为2.496V～2.499V；采用了本发明的恒流源电路后，基准电阻R2两端的电压变化范围为2.496V～2.500V。可见，采用运算放大器U3前后对基准电阻R2两端的电压变化影响不大。
TL431的基准电压为2.5V，故图1、图3所示恒流源电路的期望输出电流Io＝2.5/199.1＝12.5565mA。以此电流作为参考基准，计算图1、图3所示恒流源电路的输出电流Io的误差。
如图5所示，图1所示恒流源电路的输出电流Io绝对误差范围为4～16mA，相对误差范围为31.86％～127.42％；采用了本发明的恒流源电路后，恒流源电路的输出电流Io绝对误差范围为±0.007mA，相对误差范围为±0.056％。可见，采用了本发明的恒流源电路后，整个恒流源电路的精度提高了三个数量级，可保证应用至高精度恒流源电路或小电流恒流源电路中。
实施方案2
本发明的恒流源电路如图4所示，本电路是对图2所示恒流源电路的改进。
在图4所示的恒流源电路中，利用运算放大器U4构建电压跟随器。运算放大器U4的负输入端连接三端串联稳压器U2的调节端A，运算放大器U4的输出端连接三端串联稳压器U2的调节端A。基准电阻R4连接在运算放大器U4的正输入端和三端串联稳压器U2的输出端O之间。补偿电阻R8连接在运算放大器U4的正输入端和负载R5之间。负载R5连接在补偿电阻R8和电源地Gnd之间。三端串联稳压器U2的输入端I连接电源Vcc。
本电路中，三端串联稳压器U2的输出端O和调节端A之间的电压为V’Ref，即VO-VA＝V’Ref。根据电压跟随器的特性，运算放大器U4的输入电压等于输出电压，即V+＝VA。故基准电阻两端的电压VR4＝VO-V+＝VO-VA＝V’Ref。
为了保证三端串联稳压器U2的输出端O与调节端A之间的电压恒为V’Ref，三端串联稳压器U2的输入端I至调节端A始终有调节电流I’a通过，运算放大器U4输入端阻抗很大，故调节电流I’a基本都从运算放大器U4的输出端流过。根据运算放大器原理，可知运算放大器U4的正输入端电流基本为零，故最终至负载的电流I’o＝I’b，即I’o＝V’Ref/R4。
为了保证负载R5可以从零变化，在恒流源电路的输出端增加补偿电阻R8。本电路中运算放大器U4的输出端对地电压不会绝对为零，即VO≠0。若未增加补偿电阻R8，则当负载R5为零时，运算放大器U4的正输入端对地电压V+＝0。则整个电路不平衡，无法保证基准电阻R4两端的电压始终为三端串联稳压器U2的基准电压V’Ref，即无法实现恒流。
相对于图2所示的恒流源电路，本发明的恒流源电路消除了三端串联稳压器U2的调节电流I’a对恒流源电路的影响，保证了恒流源电路的实际输出电流I’o即为期望输出电流V’Ref/R4。
本电路中采用的元器件型号参数为：
三端串联稳压器U2：LM317；
运算放大器U4：LM158；
电阻R4：199.5Ω，R5：0～700Ω，R8：50Ω。
如图6所示，负载R5在0～700Ω内变化，采用四位半万用表读取负载R5在0Ω、100Ω、200Ω、300Ω、400Ω、500Ω、600Ω、700Ω八个阻值上的电压，由此计算出当前阻值下负载R5上通过的电流。图中实线部分表示采用了本发明的恒流源电路后，输出电流I’o的绝对误差变化；虚线部分表示图2所示恒流源电路的输出电流I’o的绝对误差变化。整个变化过程中，图2所示电路的基准电阻R4两端的电压变化范围为1.198V～1.251V；采用了本发明的恒流源电路后，基准电阻R4两端的电压变化范围为1.250V～1.251V。可见，采用运算放大器U4后，基准电阻R4两端的电压更好的稳定在1.25V附近。
LM317的基准电压为1.25V，故图2、图4所示恒流源电路的期望输出电流I’o＝1.25/199.5＝6.2657mA。以此电流作为参考基准，计算图2、图4所示恒流源电路的输出电流I’o的误差。
如图6所示，图2所示恒流源电路的输出电流I’o绝对误差范围为0.01～0.05mA，相对误差范围为0.16％～0.8％；采用了本发明的恒流源电路后，恒流源电路的输出电流
绝对误差范围为0.002～0.0045mA，相对误差范围为0.032％～0.072％。可见，采用了本发明的恒流源电路后，整个恒流源电路的精度提高了一个数量级，可保证应用至高精度恒流源电路或小电流恒流源电路中。
上述两实施方案中，采用相应元件只是为了更好的说明本发明，实际应用中对元件并无特殊要求。三端稳压器等可采用其他类似产品。
Claims (2)
1.一种可提高恒流源精度的恒流源电路，该电路是由三端并联稳压器构建的，包括一个三端并联稳压器、一个降压电阻、一个供电电源、一个基准电阻、一个负载及一个三极管，其特征在于：该电路进一步包括一个运算放大器、一个导流电阻及一个补偿电阻；
三端并联稳压器的公共端连接运算放大器的负输入端，导流电阻连接在运算放大器的负输入端和电源地Gnd之间，三端并联稳压器的输出端接运算放大器的输出端，基准电阻连接在三端并联稳压器的调节端和运算放大器的正输入端之间，降压电阻连接在供电电源Vcc和三极管基极之间，三极管基极连接运算放大器的输出端，三极管集电极连接供电电源Vcc，三极管发射极连接三端并联稳压器的调节端，补偿电阻与负载串联连接在运算放大器的正输入端和电源地Gnd之间。
2.一种可提高恒流源精度的恒流源电路，该电路是由三端串联稳压器构建的，包括一个三端串联稳压器、一个供电电源、一个基准电阻及一个负载，其特征在于：该电路进一步包括一个运算放大器及一个补偿电阻；三端串联稳压器的输入端连接供电电源Vcc，三端串联稳压器的调节端连接运算放大器的输出端，运算放大器的负输入端连接运算放大器的输出端，基准电阻连接在三端串联稳压器的输出端和运算放大器的正输入端之间，补偿电阻与负载串联连接在运算放大器的正输入端和电源地Gnd之间。
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