一種高精度高溫度穩(wěn)定性恒流源的研究

模擬電路里廣泛包含基準(zhǔn)源，且在許多系統(tǒng)電路里都是關(guān)鍵部件，它的電氣特性將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的電氣特性。在電路設(shè)計(jì)中，往往需要一些輸出電流大、溫度穩(wěn)定性好、精度高的恒流源。具有這些特性的恒流源，往往對(duì)電路中電阻的精度要求和溫度系數(shù)的要求很高，這對(duì)一次集成技術(shù)來說是一個(gè)難題。而采用混合集成薄膜工藝生產(chǎn)的電阻能很好地達(dá)到電路系統(tǒng)的要求，使用混合集成工藝技術(shù)對(duì)擴(kuò)流效果也有很好的幫助。本文就是采用混合集成技術(shù)，設(shè)計(jì)一款具有高溫度穩(wěn)定性和高精度的恒流源。

　　1工作原理

　　恒流源是由電壓基準(zhǔn)、比較放大、控制調(diào)整和采樣等部分組成的直流負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。恒流源的設(shè)計(jì)方法有多種，常用的串聯(lián)調(diào)整型恒流電源原理框圖如圖1所示。

　　主要包括調(diào)整管、采樣電阻、基準(zhǔn)電壓、誤差放大器和輔助電源等環(huán)節(jié)。通過采樣電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較放大后的信號(hào)推動(dòng)調(diào)整管對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整，最后達(dá)到輸出電流恒定。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　2.1 電壓-電流轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

　　電壓-電流轉(zhuǎn)換是恒流源的核心。最基本的恒流源電路如圖2所示。

　　圖2中工作電源電壓作為電壓輸入信號(hào)，運(yùn)放擔(dān)任比較放大的作用，Q1控制調(diào)整輸出電流Io。Vref為基準(zhǔn)電壓，它可以是任何一種電壓參考源，R0為采樣電阻；Vref耐為基準(zhǔn)電壓；Vr為運(yùn)放反相端電壓；Vo為運(yùn)放輸出電壓。根據(jù)運(yùn)放的基本原理，有：

　　上式表明：輸出電流由基準(zhǔn)電壓Eg和采樣電阻Rs決定。

　　當(dāng)輸出電流Io有任何的波動(dòng)時(shí)，Vr=VCC-IoRS就會(huì)有相應(yīng)的變化，△V=Vr-Vref經(jīng)過運(yùn)放調(diào)整三極管的輸出電流并使之恒定。

　　由此可知，要想獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流Io，必須要提供一個(gè)高精度的基準(zhǔn)電壓和高精度采樣電阻。又由于運(yùn)放在調(diào)整控制過程中的作用，運(yùn)放的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運(yùn)放是必要的選擇。

　　存在的問題：由于采樣電阻與負(fù)載串連，流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會(huì)隨之上升，導(dǎo)致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩(wěn)定性變壞。其次，恒流電源的輸出電流全部流過調(diào)整管，因此調(diào)整管上的功耗也很大，必須選擇大功率的晶體管，然而大功率晶體管需要較大的基極驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)運(yùn)放有較高驅(qū)動(dòng)能力的要求。再次，雙極型三極管的漏電流和電流放大系數(shù)對(duì)溫度比較敏感，溫度穩(wěn)定性較差。還有，電壓-電流變換器使用的負(fù)反饋閉環(huán)控制，電流穩(wěn)定度與放大器放大倍數(shù)有直接關(guān)系，在大功率電源里基本上是倒數(shù)關(guān)系。例如，若要求電流源的穩(wěn)定度要達(dá)到小于10-4，則放大器的放大倍數(shù)要大于一萬倍。運(yùn)方的溫度漂移和失調(diào)對(duì)電路的精度和溫度穩(wěn)定性有很大的影響。

　　要解決上述問題，需要對(duì)電路的控制調(diào)整部分進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電路如圖3所示：

　　用PMOS-PNP復(fù)合管來代替原來的PNP管。小信號(hào)等效模型如圖4所示：

　　小信號(hào)等效分析表明：復(fù)合管等效為PMOS管，它的跨導(dǎo)為(β+1)gm／(1+gmhie)，輸出電阻為RDS(1+gmhie)／(β+1)，輸出電阻與PMOS管近似。PMOS管具有較小的柵極電流和較大的漏極電流，能給三極管提供較大的基極電流。滿足了運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)壓力要求，使運(yùn)放不需要過大的驅(qū)動(dòng)能力，電路就能正常工作。PMOS管具有溫度穩(wěn)定性好、噪聲低的特點(diǎn)，彌補(bǔ)三極管的不足，有助于提高恒流源的溫度穩(wěn)定性。

　　選用的運(yùn)放應(yīng)該有較高的增益，較低的輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，以及低溫漂和低噪聲電壓。在實(shí)際的版圖設(shè)計(jì)時(shí)，減小局部區(qū)域功率密度，對(duì)整體溫度系數(shù)的降低也能起到很好的作用。