CN101295188B - 直流小电流恒流源及其校准方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有直流小电流源中存在的反馈电路中放大器噪声造成输出电流噪声的问题，本发明提供了一种直流小电流恒流源及该恒流源校准的方法。直流小电流恒流源包括电压源、差分放大电路、V/I转换电路、电流输出端和反馈电路，电压源与差分放大电路串联并向差分放大电路输出电压，差分放大电路与V/I转换电路串联，V/I转换电路产生电流并通过电流输出端输出，所述反馈电路包括串联连接的采样电路和滤波电路，采样电路在V/I转换电路输出电流端采样后，将反馈的电压信号经滤波电路滤波后输出到差分放大电路的输入端。同时，反馈支路的输出电压作为电流输出端的跟随输出电压。本发明可以提供高精度的直流小电流。

Description

直流小电流恒流源及其校准方法

技术领域

本发明涉及一种电流源，特别是一种可输出直流小电流的电流源。

背景技术

直流小电流源经过多年的发展，已经有多种类型的产品得以广泛的应用。其中应用比较广泛的类型有电阻式、电容式和电离式。电阻式直流小电流源由电压源和高值电阻串联而成，在电压源、高值电阻阻值已知的情况下可以得到确定的直流小电流。这种电阻式直流小电流源结构简单，但存在着如下问题：即直流小电流源应用的电路中负载不能确定，而负载的不确定对小电流源输出的电流值有着比较大的影响，特别是在精度要求高的工作环境下，这一问题更为突出。

为了解决这一问题，出现了利用负反馈保障直流小电流源输出稳定的方案，如图1所示的方案，由于放大器的深度负反馈，以及由于静电放大器保证失调电压远小于标准电压Vs，放大器a点b点电位相同，输出电流为：

$I_n=\frac{V_s}{R_F}$

图1所示的方案较好地实现了恒流特性，是现有技术中输出电流准确度比较高，恒流特性比较好的技术方案，输出电阻为10¹⁴Ω。图1所示的仪器具有跟随电压输出，有利于对其进行校准。

但这一方案也存在一定的问题：用于负反馈的放大器的电压噪声直接反馈给电压源，进而导致输出电流产生噪声。这一问题限制了该方案在高精度要求的电路中应用。

发明内容

为了解决现有直流小电流源中存在的反馈电路中放大器噪声造成输出电流噪声的问题，本发明提供了一种新型电路结构的直流小电流恒流源，不但能准确、稳定地输出电流，而且大大降低了电流噪声，因而能适用于高精度电路。本发明的另一目的是提供该恒流源校准的方法。

本发明的技术方案如下：

直流小电流恒流源包括电压源、差分放大电路、V/I(即电压/电流)转换电路、电流输出端和反馈电路，电压源与差分放大电路串联并向差分放大电路输出电压，差分放大电路与V/I转换电路串联，V/I转换电路产生电流并通过电流输出端输出，所述反馈电路包括串联连接的采样电路和滤波电路，采样电路在V/I转换电路输出电流端采样后，将反馈的电压信号经滤波电路滤波后输出到差分放大电路的输入端，采样电路采用电压跟随器进行采样，反馈电路的输出电压作为电流输出端的跟随输出电压。

所述V/I转换电路为利用高值电阻将电压源输出的电压转换为电流的电路。

所述电压源为程控精密电压源。

所述反馈电路为电流电压负反馈电路。

直流小电流恒流源校准方法包括如下步骤：

A、直流小电流恒流源输出电流设置为0，测量此时直流小电流恒流源中跟随输出电压V_o0，即所述滤波电路输出端电压；

B、在直流小电流恒流源输出端加载标准电阻R_s，输出电流设置值为I_s，测量直流小电流恒流源中跟随输出电压值并减去V_o0后得到V_o，输出电流标准值I_n为V_o与Rs的比值，比较I_s与I_n完成校准。

本发明的技术效果：

采用本发明的技术方案，具有很好的恒流特性，输出电阻达到10¹⁶Ω；消除了泄漏和干扰对输出电流的影响，保证直流小电流准确输出；滤波电路消除了反馈电路中放大器产生的噪声，噪声信号不会对电压源产生影响，解决了现有直流小电流源中存在的反馈电路中放大器噪声造成输出电流噪声的问题。

反馈电路中的滤波电路可以消除采样电路反馈信号中的噪声。

标准电阻的阻值可以溯源到电阻参数，数字多用表的直流电压测量溯源到直流电压参数。因此，本发明的直流小电流恒流源校准方法，直流小电流量值可以直接溯源到直流电压和直流电阻参数。

附图说明

图1为现有技术小电流源原理图；

图2为本发明直流小电流恒流源原理图；

图3为本发明恒流源的一个实施例；

图4为本发明直流小电流恒流源校准方法采用的校准电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示，直流小电流恒流源包括电压源、差分放大电路、V/I转换电路、电流输出端和反馈电路。电压源与差分放大电路串联并向差分放大电路输出电压，差分放大电路与V/I转换电路串联，V/I转换电路产生电流并通过电流输出端输出。反馈电路在V/I转换电路输出电流端采样后将反馈的电压信号与电压源的输出电压叠加作为差分放大电路的输入，反馈电路的输出电压作为电流输出端的跟随输出电压。

在本实施例中V/I转换电路为利用高值电阻将电压源输出的电压转换为电流的电路。电压源为程控精密电压源。反馈电路为电流电压负反馈电路。

图3为本发明直流小电流恒流源的电路图。V_i为程控精密电压源输出的电压。R_n为精密高值电阻，是V/I转换电路中的高值电阻。R₁～R₆为精密电阻，R_L为输出负载电阻。运算放大器OP₃在V₂处采样，采样的电压信号通过放大器OP₂和R₄、电容C构成的滤波电路，将输出电流在负载上的产生的电压，直接反馈到差分放大器OP₁进行自动调整，稳定后精密高值电阻R_n两端的压降与输入电压V_i相等，输出电流I_o＝V_i/R_n。输出电流与负载电阻无关，实现恒流输出。由于采用了滤波电路，因而有效消除了采样电路反馈信号中的噪声。

由于直流小电流恒流源的电路板表面电阻为10¹¹Ω量级，在潮湿环境下上述电阻的阻值还要下降。在直流小电流恒流源敏感点(易于发生电磁泄漏点)附近只要有1V压降就会产生10^-11A的电流误差，因此本实施例中在敏感节点采用高绝缘材料独立支撑，绝缘材料电阻大于10¹⁴Ω，再利用等电位屏蔽器件(继电器和高值电阻)，建立等电位屏蔽电位，屏蔽电位和被屏蔽电位之差(即泄漏电压)在mV量级，因此，泄漏引起的输出电流误差小于10^-16A。

在采用本发明方案前，采用现有的负反馈直流电压源，输出电流的噪声达到70fA(有效值)。研究分析得到输出电流噪声为：

$I_{\mathrm{on}}=\sqrt{{\left(\frac{e_{n3}}{R_n}\right)}^2+i_{n3}^2}$

式中，I_on为输出电流的噪声；e_n3为放大器OP₃的等效输入电压噪声；I_n3为放大器OP₃的等效输入电流噪声；R_n为精密电阻Rn的电阻值。由于整个电路的带宽达到700kHz，输出电流的噪声达到70fA(有效值)。采用本发明的技术方案，输出电流噪声为：

$I_{\mathrm{on}}=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{R}_{4}C}\sqrt{{\left(\frac{e_{n3}}{R_n}\right)}^2+i_{n3}^2}$

选取合适的参数，减小电路带宽，输出电流的噪声降到10fA(有效值)。

对图3的电路分析如下：

由图3可得，

$V_f=-\frac{R_4}{R_5}(V_2+V_{\mathrm{os}3})+(1+\frac{R_4}{R_5})V_{\mathrm{os}2}---\left(1\right)$

$V_1=-\frac{R_3}{R_1}{V}_i-\frac{R_3}{R_2}{V}_f+(1+\frac{R_3}{R_1//R_2})V_{\mathrm{os}1}---\left(2\right)$

$I_o=\frac{V_1+I_{0s3}{R}_n}{R_L+R_n}---\left(3\right)$

$V_2=R_L{I}_o=\frac{V_1{R}_L+I_{0s3}{R}_n{R}_L}{R_L+R_n}=\frac{V_1{R}_L}{R_L+R_n}+I_{0s3}\×R_n//R_L---\left(4\right)$

(1)式代入(2)式，且令R₁＝R₂＝R₃，R₄＝R₅得：

$V_1=-\frac{R_3}{R_1}{V}_i-\frac{R_3}{R_2}[-\frac{R_4}{R_5}\left(V_2+V_{\mathrm{os}3}\right)+(1+\frac{R_4}{R_5})V_{\mathrm{os}2}]+(1+\frac{R_3}{R_1//R_2})V_{\mathrm{os}1}$

$=-\frac{R_3}{R_1}{V}_i+\frac{R_3{R}_4}{R_2{R}_5}{V}_2+V_{\mathrm{os}3}-2V_{\mathrm{os}2}+3V_{\mathrm{os}1}---\left(5\right)$

(4)式代入(5)式，且令R₁＝R₂＝R₃，R₄＝R₅得：

$V_1=-\frac{R_3}{R_1}{V}_i+\frac{R_3{R}_4}{R_2{R}_5}(\frac{V_1{R}_L}{R_L+R_n}+I_{0s3}\×R_n//R_L)+V_{\mathrm{os}3}-2V_{\mathrm{os}2}+3V_{\mathrm{os}1}$

$=-\frac{R_3}{R_1}{V}_i+\frac{R_3{R}_4}{R_2{R}_5}\frac{V_1{R}_L}{R_L+R_n}+I_{\mathrm{os}3}\×R_n//R_L+V_{\mathrm{os}3}-{2V}_{\mathrm{os}2}+3V_{\mathrm{os}1}---\left(6\right)$

得：

$V_1=\frac{-\frac{R_3}{R_1}{V}_i+I_{\mathrm{os}3}\×R_n//R_L+V_{\mathrm{os}3}-2V_{\mathrm{os}2}+3V_{\mathrm{os}1}}{1-\frac{R_3{R}_4}{R_2{R}_5}\frac{R_L}{R_L+R_n}}---\left(7\right)$

(7)代入(3)得：

$I_o=\frac{-\frac{R_3}{R_1}{V}_i+I_{\mathrm{os}3}\×R_n//R_L+V_{\mathrm{os}3}-2V_{\mathrm{os}2}+3V_{\mathrm{os}1}}{R_L+R_n-\frac{R_3{R}_4{R}_L}{R_2{R}_5}}+\frac{I_{0s3}{R}_n}{R_L+R_n}$

$=\frac{-\frac{R_3}{R_1}{V}_i+I_{\mathrm{os}3}\×R_n//R_L+V_{\mathrm{os}3}-2V_{\mathrm{os}2}+3V_{\mathrm{os}1}}{R_L+R_n-\frac{R_3{R}_4{R}_L}{R_2{R}_5}}+\frac{I_{0s3}{R}_n}{R_L+R_n}$

$=\frac{-\frac{R_3}{R_1}{V}_i}{R_L+R_n-\frac{R_3{R}_4{R}_L}{R_2{R}_5}}+\frac{I_{\mathrm{os}3}\×R_n//R_L+V_{\mathrm{os}3}-2V_{\mathrm{os}2}+3V_{\mathrm{os}1}}{R_n}+\frac{I_{0s3}{R}_n}{R_L+R_n}$

$I_o=\frac{-\frac{R_3}{R_1{R}_n}{V}_i}{1+(1-\frac{R_3{R}_4}{R_2{R}_5})\frac{R_L}{R_n}}+\frac{V_{\mathrm{os}3}-2V_{\mathrm{os}2}+3V_{\mathrm{os}1}}{R_n}+I_{0s3}---\left(8\right)$

式(8)中，第一项是V/I传递函数，第二项是运算放大器失调对输出电流的影响，第三项是失调电流对输出电流的影响。

当R₁＝R₂＝R₃，R₄＝R₅，失调电流和失调电压为零，输出电流：

$I_o=-\frac{V_i}{R_n}---\left(9\right)$

从式(8)第一项，可以得到由于电阻误差带来的输出电流误差：

$I_o+\mathrm{\Δ}{I}_o=\frac{\frac{R_3(1+{\mathrm{\γ}}_{R3})}{R_1(1+{\mathrm{\γ}}_{R1})R_n(1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Rn}})}{V}_i}{1+[1-\frac{R_3{R}_4(1+{\mathrm{\γ}}_{R3})(1+{\mathrm{\γ}}_{R4})}{R_2{R}_5(1+{\mathrm{\γ}}_{R2})(1+{\mathrm{\γ}}_{R5})}]\frac{R_L}{R_n}}$

$\≈\frac{\frac{R_3(1+{\mathrm{\γ}}_{R3})(1-{\mathrm{\γ}}_{R1})(1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Rn}})}{R_1{R}_n}{V}_i}{1+[1-\frac{R_3{R}_4(1+{\mathrm{\γ}}_{R3})(1+{\mathrm{\γ}}_{R4})(1-{\mathrm{\γ}}_{R2})(1-{\mathrm{\γ}}_{R5})}{R_2{R}_5}]\frac{R_L}{R_n}}$

$\≈\frac{\frac{R_3(1+{\mathrm{\γ}}_{R3}-{\mathrm{\γ}}_{R1}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Rn}})}{R_1{R}_n}{V}_i}{1+[1-\frac{R_3{R}_4(1+{\mathrm{\γ}}_{R3}+{\mathrm{\γ}}_{R4}-{\mathrm{\γ}}_{R2}-{\mathrm{\γ}}_{R5})}{R_2{R}_5}]\frac{R_L}{R_n}}$

$\≈\frac{\frac{R_3(1+{\mathrm{\γ}}_{R3}-{\mathrm{\γ}}_{R1}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Rn}})}{R_1{R}_n}{V}_i}{1+({\mathrm{\γ}}_{R3}+{\mathrm{\γ}}_{R4}-{\mathrm{\γ}}_{R2}-{\mathrm{\γ}}_{R5})\frac{R_L}{R_n}}$

$\≈(1+{\mathrm{\γ}}_{R3}-{\mathrm{\γ}}_{R1}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Rn}})I_o[1-({\mathrm{\γ}}_{R3}+{\mathrm{\γ}}_{R4}-{\mathrm{\γ}}_{R2}-{\mathrm{\γ}}_{R5})\frac{R_L}{R_n}]$

$\≈I_o+({\mathrm{\γ}}_{R3}-{\mathrm{\γ}}_{R1}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Rn}})I_o-({\mathrm{\γ}}_{R3}+{\mathrm{\γ}}_{R4}-{\mathrm{\γ}}_{R2}-{\mathrm{\γ}}_{R5})\frac{R_L}{R_n}{I}_o---\left(10\right)$

输出电流相对误差：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Io}}=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_o}{I_o}\≈{\mathrm{\γ}}_{R3}-{\mathrm{\γ}}_{R1}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{Rn}}-({\mathrm{\γ}}_{R3}+{\mathrm{\γ}}_{R4}-{\mathrm{\γ}}_{R2}-{\mathrm{\γ}}_{R5})\frac{R_L}{R_n}---\left(11\right)$

式(11)中，前2项是R₃和R₁比例误差带来的输出电流相对误差；第3项是标准电阻R_n相对误差带来的输出电流相对误差；第4项是R₃和R₂比例误差与R₄和R₅比例误差引起的恒流特性影响。

上述式中Io为输出电流；R₁～R₅分别为精密电阻R₁～R₅的电阻值；R_L为负载电阻R_L的电阻值；Rn为精密电阻Rn的电阻值；V_os1～V_os3分别为放大器OP₁～OP₃的失调电压。

R₁～R₅采用比例跟踪精度小于5ppm/℃的精密电阻，消除负载电阻R_L的影响，实现高准确度恒流输出，恒流源等效输出电阻为10⁵R_n，最大输出电阻达到10¹⁶Ω。式(8)中的后两项是放大器失调参数的影响，可以通过校准记忆进行消除。

对本发明的直流小电流恒流源进行校准，采用图4所示的校准电路，数字多用表连接于反馈电路中滤波电路的输出端。首先，令直流小电流恒流源输出电流设为0，即用断路器将电流输出端短路，数字多用表读数为跟随输出电压V_o0：

$V_{o0}=-\frac{R_4}{R_5}\left(V_{\mathrm{os}3}\right)+(1+\frac{R_4}{R_5})V_{\mathrm{os}2}---\left(12\right)$

数字多用表清零，存入V_o0值。

标准电阻(即负载电阻)R_s接入电流输出端，直流小电流恒流源设置值为I_s，实际输出电流值为I_n，数字多用表测量直流电压的读数为V_o：

$V_o=-(I_n\×R_S+V_{\mathrm{os}3})+(1+\frac{R_4}{R_5})V_{\mathrm{os}2}-V_{o0}=-I_n\×R_S---\left(13\right)$

V_o即为接入R_s时的跟随输出电压减去V_o0的差值，利用标准电阻标准值和直流电压测量值，从式(13)可以得到输出电流标准值I_n。输出电流设置值I_s与输出电流标准值I_n进行比较完成校准。

在上述的方法中，标准电阻的标准值从国家计量院溯源到电阻参数，数字多用表的直流电压测量溯源到直流电压参数。因此，利用上述校准方法，直流小电流量值可以直接溯源到直流电压和直流电阻参数。

Claims (4)

1.直流小电流恒流源包括电压源、差分放大电路、电压/电流转换电路、电流输出端和反馈电路，电压源与差分放大电路串联并向差分放大电路输出电压，差分放大电路与电压/电流转换电路串联，电压/电流转换电路产生电流并通过电流输出端输出，其特征在于所述反馈电路包括串联连接的采样电路和滤波电路，采样电路在电压/电流转换电路输出电流端采样后，将反馈的电压信号经滤波电路滤波后输出到差分放大电路的输入端，采样电路采用电压跟随器进行采样，反馈电路的输出电压作为电流输出端的跟随输出电压。

2.根据权利要求1所述的直流小电流恒流源，其特征在于所述电压/电流转换电路为利用高值电阻将电压源输出的电压转换为电流的电路。

3.根据权利要求1所述的直流小电流恒流源，其特征在于所述电压源为程控精密电压源。

4.权利要求1至3之一所述直流小电流恒流源校准方法，其特征在于包括如下步骤：

A、直流小电流恒流源输出电流设置为0，测量此时直流小电流恒流源中跟随输出电压V_o0，即所述滤波电路输出端电压；

B、在直流小电流恒流源输出端加载标准电阻R_s，输出电流设置值为I_s，测量直流小电流恒流源中跟随输出电压值并减去V_o0后得到V_o，输出电流标准值I_n为V_o与R_s的比值，比较I_s与I_n完成校准。

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