利用DAC 芯片和運(yùn)算放大器構(gòu)建可編程電流源

肖偉杰

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所， 四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

電流源，即理想電流源，是從實(shí)際電源抽象出來(lái)的一種模型[1]，其特點(diǎn)是輸出電流不受電壓和負(fù)載電阻變化而變化、直流等效電阻無(wú)窮大、交流等效電阻無(wú)窮大；其種類可分為可調(diào)電流源與脈沖電流源， 輸出電流可調(diào)的稱為可調(diào)電流源， 脈沖電流源電路采用高速場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源電流的復(fù)制和倍乘[2]，降低脈沖電流源輸出負(fù)載對(duì)前級(jí)深度負(fù)反饋部分的影響，提高電路的穩(wěn)定性，并利用模擬多路復(fù)用器對(duì)電流鏡柵極的控制， 將脈沖信號(hào)傳遞到脈沖電流中，從而輸出脈沖電流。

1 電流源特點(diǎn)

電流源在電真空管、各種標(biāo)準(zhǔn)燈（如光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈）、常用的充電器、精密儀器的參數(shù)測(cè)量與校準(zhǔn)、傳感器驅(qū)動(dòng)和通信等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[3]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于V/I 轉(zhuǎn)換電路并利用DAC 芯片產(chǎn)生電壓而搭建的可調(diào)電流源[4]，先通過(guò)原理分析，了解工作原理， 進(jìn)而使用軟件仿真的形式模擬實(shí)際電路探討其可行性，最后選用DAC 芯片、運(yùn)算放大器等元器件搭建實(shí)際電路， 并給出軟件仿真與實(shí)際電路的電流跟隨精度以及帶負(fù)載能力等數(shù)據(jù)[5]。

2 電路描述與分析

電流源電路如圖1 所示， 此電路即是一種簡(jiǎn)單并實(shí)用的V/I 轉(zhuǎn)換電路。該電路需要兩個(gè)運(yùn)算放大器，U1 組成了同相求和運(yùn)算電路，U2 則是構(gòu)成電壓跟隨器。 輸入電壓Ui 通過(guò)匹配電阻后加在運(yùn)算放大器U1 的同相輸入端，該電壓與輸出電流成比例關(guān)系。 周圍電路配置的四個(gè)匹配電阻， 分別與U1 的同相輸入端和反相輸入端以及U2 的輸出端連接。

圖1 V/I 轉(zhuǎn)換電路

在理想條件下，電阻網(wǎng)絡(luò)完全匹配，此時(shí)R1 上的電壓就等于輸入電壓Ui，根據(jù)電流定律I=U/R，從而產(chǎn)生恒定的電流I。

我們假設(shè)上圖中的運(yùn)算放大器為理想運(yùn)算放大器，此時(shí)根據(jù)虛短、虛斷的原理，我們可以得到UP1=UN2、UP2=UN2、iR2=ii、iRO=iO。 進(jìn)而我們可以分析得到如下關(guān)系式：

從公式（4）表明，圖中所示電路存在一定的系統(tǒng)誤差， 主要誤差來(lái)源于匹配電阻的匹配精度、RO的電阻阻值誤差以及負(fù)載電阻的誤差。這些誤差大都可以通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)消除；其次根據(jù)上式可看出，改變輸出電流的方式有兩種：一是保持采集電阻的阻值大小不變，改變輸入電壓的大??；二是保持輸入電壓的大小不變，改變采集電阻的阻值。 本次設(shè)計(jì)是采用高精度固定值采集電阻，利用DAC 芯片產(chǎn)生可變電壓調(diào)節(jié)電流輸出，達(dá)到電流源可調(diào)的目的。

3 元器件選擇

從前面的分析可得，為保證輸出電流誤差最小，本次設(shè)計(jì)需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行元器件選擇： 一是為了保證匹配電阻的匹配精度， 本設(shè)計(jì)采用的是精密片式薄膜固定分壓電阻網(wǎng)絡(luò)， 其阻值允許偏差可以達(dá)到±0.1%，溫度漂移可達(dá)到±10ppm/℃，這里的匹配電阻需要選擇合適的阻值，并不能一味地選擇大阻值來(lái)增大匹配精度，因?yàn)槿绻柚颠^(guò)大，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，且會(huì)使系統(tǒng)的正反饋超過(guò)合理范圍， 進(jìn)而增加系統(tǒng)自激振蕩的風(fēng)險(xiǎn)；二是采集電阻RO，我們選用的是有可靠性的片式薄膜固定電阻器，其阻值允許偏差可以達(dá)到±0.01%，溫度漂移可達(dá)到±10ppm/℃， 采集電阻阻值大小與DAC 芯片輸出電壓、系統(tǒng)供電和負(fù)載電阻大小等都有關(guān)系，所以需要多次計(jì)算，得到合適的阻值。

負(fù)載電阻由外界決定，這里就不再考慮。

由于考慮到可調(diào)電流分辨率要高， 且供電簡(jiǎn)單等因素， 在這里我們選用完整的雙通道12 位DAC 芯片AD8522，其提供8.68×6mm 的14 引腳SOP14 封裝，數(shù)據(jù)接口為串行借口，片上自帶參考電壓，緩沖電壓輸出，無(wú)需外部器件，有著4.095V 滿幅電壓（1mV/LSB）。

晶體管方面因?yàn)橄到y(tǒng)供電電壓大， 所以需要選擇一個(gè)BVCEO（基極開(kāi)路，CE 結(jié)擊穿電壓）大于供電電壓，且ICM（最大輸出平均電流）大于輸出電流的晶體管，因此我們選用BCP54， 它可以提供高于運(yùn)算放大器和單電阻輸出的電流。

而在運(yùn)算放大器方面， 其既要滿足偏置電流和失調(diào)電壓要盡可能小的特性， 又要符合溫漂小、 增益大的特點(diǎn)，且還要供電簡(jiǎn)單，最好是單電源供電，所以我們選擇LM158。 當(dāng)然如果你需要的輸出電流小的話，你可以選擇CMOS 類型的運(yùn)算放大器；如果需要高輸入阻抗，那FET輸入運(yùn)算放大器更加適合。

溫度是重要的環(huán)境因。 溫度的變化會(huì)使整個(gè)電路參數(shù)發(fā)生漂移， 因此在選擇上述元器件時(shí)都盡可能選擇低溫漂的等級(jí)， 目的是為了讓整個(gè)系統(tǒng)可以在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，保持元器件的性能和技術(shù)指標(biāo)符合要求。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

我們?cè)贛ultisim10.0 的環(huán)境下對(duì)圖1 電路進(jìn)行仿真，并在完成了電路調(diào)試后，我們通過(guò)下面幾種方案，在常態(tài)條件下測(cè)試電路的各項(xiàng)性能，得到如下數(shù)據(jù)。

一是采用固定阻值的負(fù)載電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)DAC 芯片輸出電壓大小， 分析輸出電流的理論值與實(shí)際值之間的差值和輸出電流大小的關(guān)系。 這里我們采用阻值為75Ω的固定電阻器充當(dāng)外部負(fù)載，調(diào)節(jié)DAC 輸出電壓。

從表1 中， 我們可以分析得到圖2 所示的輸入電壓與電流差關(guān)系曲線和圖3 所示的理論電流值與實(shí)際電流值關(guān)系曲線。在表1 中我們可以看出，仿真出來(lái)的結(jié)果是略好于實(shí)際測(cè)試朱來(lái)的效果，從圖2 趨勢(shì)線中 表明在負(fù)載電阻為75Ω 的情況下，我們線性的調(diào)節(jié)DAC 芯片輸出電壓的大小，理論值與實(shí)際值的差值以75mA 為界，當(dāng)輸出電流小于75mA 時(shí)，理論值小于實(shí)際值相差，彼此之間的差距逐漸縮小，但高于75mA 后，差值逐漸增大，實(shí)際值小于理論值，并且隨著輸出電流的逐漸變大，差值有繼續(xù)變大的趨勢(shì)。

表1 電流穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 輸入電壓與電流差關(guān)系曲線

圖3 理論電流值與實(shí)際電流值關(guān)系曲線

二是通過(guò)保持DAC 芯片輸出電壓不變，改變負(fù)載電阻的大小，測(cè)試在同一電壓輸入的情況下，負(fù)載電阻大小變化與輸出電流變化的關(guān)系。 在這里我們?cè)O(shè)置輸入電壓為1.8V，而采集電阻為36Ω，根據(jù)電流定律I=U/R，則理論輸出電流為50mA，而帶載能力測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 帶載能力測(cè)試數(shù)據(jù)

從上表我們可以看出， 雖然輸入電壓有mV 級(jí)的波動(dòng)，但幾乎可以視為一直穩(wěn)定不變。因此我們可以得出如下結(jié)論，在輸入電壓不變的情況下，負(fù)載電阻與輸出電流呈反比的關(guān)系，即負(fù)載電阻越大，輸出電流越小。

5 元器件布局

在元器件布局時(shí)，元器件需要遠(yuǎn)離發(fā)熱區(qū)域，特別是采集電阻，即使是其溫度漂移系數(shù)為±10ppm/℃，在溫度變化時(shí)，也會(huì)有較為明顯的變化。 如果有條件，可以將整個(gè)系統(tǒng)放置在恒溫裝置中或采取導(dǎo)熱的形式， 快速將元器件表面熱量帶走。

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用DAC 芯片、運(yùn)算放大器、晶體管和匹配電阻構(gòu)建可編程電流源。考慮到冗余設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)可采用30V 以下單電源供電，電流輸出范圍寬，且電流可調(diào)分辨率高，常態(tài)條件下，精度高于0.7%。

其次在此基礎(chǔ)上存在如下一些類型的變化。 如果需要固定電流源，可以將DAC 芯片替換成精度合適的基準(zhǔn)電壓源， 并通過(guò)電流定律計(jì)算后選擇合適阻值的采集電阻，達(dá)到想要的輸出電流值。

如果需要更大或者更小的輸出電流范圍， 可以選用合適的基準(zhǔn)電壓源。其中在某些更小的輸出電流范圍，可以刪除晶體管這個(gè)器件， 然后選用那些具有低偏置電流和低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器，這樣還可以達(dá)到降低成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等目的。