CN101572984B

CN101572984B - 驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路

Info

Publication number: CN101572984B
Application number: CN2009100670604A
Authority: CN
Inventors: 曹彦波; 王兴华; 于永; 宋大千; 费强
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2029-06-04
Also published as: CN101572984A

Abstract

本发明的驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路属于电子技术领域。电路结构有基准电压发生电路(11)、低通滤波电路(12)、V/I₀转换电路(13)、多路镜像比例恒流源电路(14)及开关控制电路(16)；其中镜像比例恒流源电路(14)由晶体管(Q10、Q11、...Q1n)、发光二极管负载(D10、D11、...D1n)、比例电阻(R10、R11、...R1n)和取样电阻(R0)构成；开关控制电路(16)由第三电阻(R3)和第四晶体管(Q4)构成，由数字信号(Di)完成开关控制动作。本发明使多路发光二极管发光强度稳定；可以得到连续光谱或调制光谱；使用方便，成本低廉，节约电能，利于便携式仪器使用。

Description

驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路。

背景技术

众所周知，卤钨灯是光谱仪上应用最多的一种光源，它的主要优点是其辐射的光谱可以覆盖整个可见至近红外区域，并且是连续光谱，这为色散型和傅立叶变换型近红外光谱仪实现连续扫描，得到比较高的分辨率提供了可能。但是卤钨灯作为光源也有着诸多缺点，如功耗太大，发热量高，使用寿命短，光学元器件与卤钨灯间需要有效的隔热、散热装置等等，因此，它不适合作为便携式仪器的光源使用。

发光二极管(LED)是一种新型半导体发光器件，它直接将电能转换为光能，可以辐射出紫外、可见和近红外区域的光。与卤钨灯相比，其主要优点是驱动电压低、功耗低、响应速度快(纳秒级)、辐射功率大、使用寿命长(理论使用寿命10万小时以上)、便于电路调制、耐振动、耐冲击、无污染、绿色环保等，因此它的用途越来越广泛。作为一种新型光源，它单色性好、带宽窄，可用作分析仪器的特殊光源，在光谱分析领域用途也越来越多。

对于一个确定的发光二极管，它所发出的光的中心波长和光谱带宽是确定的，其带宽一般为几十纳米。将多个相邻波长的发光二极管组合，即可得到在确定范围内的连续波长的光源。由于每个发光二极管的发光强度在一定的波长范围内可以调节得基本一致，从而消除了像其它光源存在的非线性问题。

作为仪器专用光源，对其发光稳定性提出了严格的要求。发光二极管的驱动方式分为电压驱动和电流驱动。电压驱动方式就是采用直流电压驱动发光二极管和限流电阻。电压驱动方式的优点是可以方便地驱动多路发光二极管工作，但其缺点则是当驱动电路的电源产生波动时，常常会引起驱动发光二极管的直流电压的波动，使得发光二极管本身的正向电压Vf值产生变化，进而引起流经发光二极管的电流的波动，从而导致其发光强度产生很大变化，严重影响仪器性能。另外，限流电阻在工作过程中本身也要消耗较大的功率，浪费能源，如果限流电阻发热过高，还会造成安全隐患。因此，用电压驱动发光二极管可靠性也比较差；电流驱动方式就是采用恒流电路驱动发光二极管。由于发光二极管是电流驱动型器件，发光二极管恒流驱动时，即使发光二极管本身的正向电压Vf值产生变化，或者环境温度、发光二极管温度变化或电源电压波动，发光二极管本身的工作状态保持不变，发光二极管的发光强度就可以维持在恒定的水平，所以理想情况下应该采用恒流方式驱动发光二极管。不过，电流驱动方式一般仅仅适用于单路发光二极管的驱动。目前尚没有能够同时以电流方式驱动多路发光二极管的、各路驱动电流能够单独调节的、结构相对简单的、成本比较廉价的恒流源电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术的缺点，提供一种驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路，作为仪器专用光源，能同时以电流方式驱动多路发光二极管、各路驱动电流能单独调节；并达到结构简单、成本低、发光二极管发光强度稳定的目的。

本发明的技术方案是：

一种驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路，包括基准电压发生电路、低通滤波电路、V/I₀转换电路、多路镜像比例恒流源电路及开关控制电路。基准电压发生电路可以是精密基准电压芯片，也可以是数模转换器。由上述器件或电路产生的精密电压信号输入至V/I₀转换电路的运算放大器A1的同相输入端。V/I₀转换单元的核心器件是精密运算放大器A1，在运算放大器A1的输出端驱动电流扩展器件第一晶体管Q1的基极，运算放大器A1的反相输入端经一个平衡电阻接至多路比例恒流源的输入取样电阻一端，取样电阻的另一端接开关控制电路中第四晶体管Q4的集电极，在取样电阻两端施加一个可以调节的精密电压信号。改变该电压信号的大小，即可改变镜像比例恒流源的基准输入电流。

镜像比例恒流源的输入级第三晶体管Q3被嵌入到运算放大器A1的反馈环内，使得因温度变化产生的三个晶体管的发射结电压的变化被负反馈加以消除，从而使镜像比例恒流源的输入级获得一个大小可调节的恒定的电流，并且镜像比例恒流源输出的各路电流分别与输入的基准电流I₀成比例，比例系数则由各晶体管发射极串入的比例电阻的大小决定。镜像比例恒流源的多路输出级可以分别驱动单个发光二极管负载或串联的发光二极管负载。多路镜像比例恒流源(包括基准电流源)可由开关控制电路进行操作，该开关控制电路可控制多路发光二极管的同时亮灭。

本发明的一种驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路更具体的电路结构有：基准电压发生电路11、低通滤波电路12、V/I₀转换电路13、镜像比例恒流源电路14及开关控制电路16；所述基准电压发生电路11产生的电压信号Vref经由电阻R1、电容C1构成的低通滤波电路12输入至V/I₀转换电路13的运算放大器A1的同相输入端引脚3；运算放大器A1的输出引脚6与第一晶体管Q1的基极相连；运算放大器A1的反相输入端引脚2经平衡电阻R2接至基准输入恒流源通道内的取样电阻R0的一端，该取样电阻R0的另一端接开关控制电路16中的第四晶体管Q4的集电极；所述的开关控制电路16由第三电阻R3和第四晶体管Q4构成，第四晶体管Q4的发射极接地，而第四晶体管Q4的基极经第三电阻R3接开关控制电路16的输入数字信号Di，并由数字信号Di完成开关控制动作；所述的镜像比例恒流源电路14，第一晶体管Q1的集电极经第五电阻R5与电源+Vdc相连，第一晶体管Q1的发射极连接第二晶体管Q2的基极并与第三晶体管Q3的集电极相连，第二晶体管Q2的集电极与第六电阻R6的一端相连，第六电阻R6的另一端与电源+Vdc相连；第二晶体管Q2的发射极分别与第三晶体管Q3和多路镜像比例恒流源电路14中的各晶体管Q10、Q11、...Q1n的基极相连；第三晶体管Q3的发射极同时与平衡电阻R2、电流取样电阻R0相连；电流取样电阻R0的另一端接开关控制电路16中的第四晶体管Q4的集电极，并与镜像比例恒流源电路14中的各比例电阻R10、R11、...R1n相连；在多路镜像比例恒流源电路14中，各晶体管Q10、Q11、...Q1n的基极分别与第三晶体管Q3的基极相连，各晶体管Q10、Q11、...Q1n的集电极分别与各发光二极管负载D10、D11、...D1n的负极相连，各发光二极管负载D10、D11、...D1n的正极接电源+Vdc；各晶体管Q10、Q11、...Q1n的发射极分别与各比例电阻R10、R11、...R1n的一端相连，各比例电阻R10、R11、...R1n的另一端与电流取样电阻R0相连；各晶体管Q10、Q11、...Q1n及各比例电阻R10、R11、...R1n、分别与第三晶体管Q3及电流取样电阻R0各构成一个镜像电流电路I₀₁、I₀₂、...I_0n，分别为各发光二极管负载D10、D11、...D1n提供与基准电流I₀成比例的镜像驱动电流；所述的V/I₀转换电路3，由运算放大器A1、平衡电阻R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、电流取样电阻R0构成。

所述的基准电压发生电路11可以是精密基准电压芯片或数模转换器。

所述的多路镜像比例恒流源电路14的每路恒流电路分别连接有比例电阻，且其多路输出级分别与单个发光二极管或串联的发光二极管组相连。即，各发光二极管负载D10、D11、...D1n分别是单个发光二极管或串联的发光二极管组。通过改变各个比例电阻R10、R11、...R1n的阻值大小可以调节各路恒流电路的镜像电流I₀₁、I₀₂、...I_0n。

所述的开关控制电路16可以是大功率晶体管或场效应管，其分别与多路镜像比例恒流源电路14的公共端相连。该开关控制电路16可以控制所有发光二极管的工作状态，开关控制电路16的控制信号Di可以来自微处理器、移位寄存器、译码器、光电耦合器等数字集成电路。

运算放大器A1的反相端经两个晶体管Q1、Q3和平衡电阻R2与运算放大器A1的输出端构成闭环负反馈结构。在运算放大器A1的输出端可以附加了一低通滤波器(附图中未画出)，该滤波器输出端接一普通晶体管Q1或场效应晶体管(MOSFET)，晶体管Q1或场效应晶体管用来增加运算放大器A1的输出电流。

多路比例恒流源电路的输入级作为负载嵌入V/I₀转换电路的闭环负反馈环内，使得V/I₀转换电路的电流输出与多路比例恒流源的电流输入侧融合为一体。多路比例恒流源的输入基准电流直接受控于运算放大器A1的同相输入端所接入的可调节的精密基准电压信号和电流取样电阻。多路比例恒流源的电流输入不受电源电压波动的影响。

本发明的有益效果在于：根据以上技术方案提出的驱动电路，能令各路发光二极管获得大小不同的驱动电流并且保持各路电流恒定，进而使多路发光二极管发光强度稳定。且通过开关控制电路工作方式的选择，既可以同时工作得到连续光谱，也可以断续工作得到调制光谱，还可以在光谱仪器不工作时关闭多路发光二极管以节约电能，有利于便携式仪器使用。本镜像比例恒流驱动电路还可以根据需要进行扩展，使用方便。扩展电路采用分立元件，成本低廉。

附图说明

图1为本发明的方框图；

图2为本发明的电路原理图。

具体实施方式

实施例1：

参见图1及图2，本发明是一种用于驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路，其包括依次连接的基准电压发生电路11、低通滤波电路12、V/I₀转换电路13、多路镜像比例恒流源电路14及开关控制电路16；所述基准电压发生电路11产生的电压信号Vref经由电阻R1、电容C1构成的低通滤波电路12输入至V/I₀转换电路13的运算放大器A1的同相输入端引脚3；运算放大A1的反相输入端引脚2经一个平衡电阻R2接至基准输入恒流源通道内的取样电阻R0的一端，该取样电阻R0的另一端接开关控制电路16中的第四晶体管Q4的集电极，并与调节镜像电流比例系数的电阻R10、R11、…、R1n并联，电流取样电阻R0、比例电阻R10、R11、…、R1n分别与第四晶体管Q4的集电极相连，第四晶体管Q4的发射极接地，而第四晶体管Q4的基极经第三电阻R3接开关控制电路16的输入数字信号Di，第三电阻R3和第四晶体管Q4构成开关控制电路16，并由数字信号Di完成开关控制动作；所述运算放大器A1的输出引脚6与第一晶体管Q1的基极相连，第一晶体管Q1的集电极经第五电阻R5与电源相连，第一晶体管Q1的发射极连接第二晶体管Q2的基极并与第三晶体管Q3的集电极相连，第二晶体管Q2的集电极与第六电阻R6的一端相连，第六电阻R6的另一端与电源相连；第二晶体管Q2的发射极与Q3和第十晶体管Q10、Q11、…、Q1n的基极相连；第三晶体管Q3的发射极同时与平衡电阻R2、电流取样电阻R0相连；电流取样电阻R0的另一端接开关控制电路16中的第四晶体管Q4的集电极，并与调节镜像电流比例系数的电阻R10、R11、…、R1n相连；放大器A1、电阻R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、电流取样电阻R0共同构成V/I₀转换电路。

第十晶体管Q10的基极与第三晶体管Q3的基极相连，第十晶体管Q10的集电极与发光二极管负载D10的负极相连，发光二极管负载D10的正极接直流电源+Vdc，第十晶体管Q10的发射极与比例电阻R10的一端相连，比例电阻R10的另一端与电流取样电阻R0相连；第十晶体管Q10、比例电阻R10与第三晶体管Q3、电流取样电阻R0共同构成第一个镜像电流电路14，为发光二极管负载D10提供与基准电流I₀成比例的镜像驱动电流；

第十一晶体管Q11的基极与第三晶体管Q3的基极相连，第十一晶体管Q11的集电极与发光二极管负载D11的负极相连，发光二极管负载D11的正极接直流电源+Vdc，第十一晶体管Q11的发射极与比例电阻R11的一端相连，比例电阻R11的另一端与电流取样电阻R0相连；第十一晶体管Q11、比例电阻R11与第三晶体管Q3、电流取样电阻R0共同构成第二个镜像电流电路，为发光二极管负载D11提供与基准电流I₀成比例的镜像驱动电流；

……；

第n晶体管Q1n的基极与第三晶体管Q3的基极相连，第n晶体管Q1n的集电极与发光二极管负载D1n的负极相连，发光二极管负载D1n的正极接直流电源+Vdc，第n晶体管Q1n的发射极与比例电阻R1n的一端相连，比例电阻R1n的另一端与电流取样电阻R0相连；第n晶体管Q1n、比例电阻R1n与第三晶体管Q3、电流取样电阻R0共同构成第n个镜像电流电路，为发光二极管负载D1n提供与基准电流I₀成比例的镜像驱动电流。

所述的多路镜像比例恒流源电路14的每路恒流电路的电流单独通过电阻调节，且其多路输出级分别驱动单个发光二极管或串联的发光二极管组。

所述的开关控制电路16可使用大功率晶体管或场效应管，其控制多路镜像比例恒流源电路14。该开关控制电路16可以控制所有发光二极管的同时亮灭，使得发光二极管作为分析仪器的光源使用时，既可以同时工作得到连续光谱，也可以断续工作得到调制光谱，还可以在光谱仪器不工作时关闭多路发光二极管节约电能，有利于便携式仪器使用。开关电路其控制信号可以来自微处理器、移位寄存器、译码器、光电耦合器等数字集成电路。

在上述连接关系的基础上，并参见图2，本发明的工作原理如下：

基准电压发生电路11可以是由精密基准电压芯片，如LM399、LM336或AD580等构成，也可以是由数模转换器构成。由此产生的非常稳定的电压信号Vref经由R1、C1构成的低通滤波电路12滤除高频噪音后，输入至V/I₀转换电路13的核心器件即运算放大器A1的同相输入端引脚3，作为电压信号，Vref具有极高的输入阻抗。

V/I₀转换电路13的运算放大器A1反相输入端引脚2经一个平衡电阻R2接至基准输入恒流源通道内的电流取样电阻R0的一端，而电流取样电阻R0的另一端接开关控制电路16中的第四晶体管Q4的集电极，并与调节镜像电流比例系数的比例电阻R10、R11、…、R1n并联。

运算放大器A1在其输出端和第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的基极-发射极以及运算放大器A1的反相输入端之间建立负反馈，构成反相比较放大电路；同时，三个晶体管Q1、Q2、Q3的发射结电压因温度产生的变化被运算放大器A1的负反馈加以消除。由运放的负反馈工作特性可知，第三晶体管Q3的发射极电压等于运算放大器A1同相端输入电压Vref。

当开关控制电路的第四晶体管Q4关闭时，取样电阻两端的电压信号为零，即基准电流I₀：

I₀＝0

当开关控制电路的第四晶体管Q4导通时，第四晶体管Q4的集电极电压接近于零，故在取样电阻两端可以获得一个可以调节的电压信号，改变该电压信号的大小，即可改变镜像比例恒流源的基准电流I₀：

I₀＝Vref/R₀

由上式可知，I₀仅与控制电压Vref和电流取样电阻R0的大小有关。当取样电阻R0一定时，I₀与Vref成正比。在一定的控制电压范围内，改变取样电阻R0就可以设置I₀的最大值。

V/I₀转换电路13中的第一晶体管Q1主要起扩流作用，保证运算放大器A1输出电流不致过大。同时将恒定电流经其发射极输出到镜象比例恒流电路的输入端。第二晶体管Q2的作用是为第三晶体管Q3、第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、…、第N晶体管Q1n等提供足够的基极电流，减小基极电流引起的镜象误差，提高各路输出电流与基准电流之间的电流镜像的精度。

第三晶体管Q3和电流取样电阻R0同时构成镜像比例恒流源的输入级，其中第三晶体管Q3被嵌入到运算放大器A1的反馈环内，使得第三晶体管Q3的发射结电压因温度产生的变化被运算放大器A1的负反馈加以消除。同时，第三晶体管Q3的基极与输出侧第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、…、第n晶体管Q1n的基极相连，且第三晶体管Q3的基极与集电极经第二晶体管Q2相连，被接成二极管形式。因此，在串联的第一晶体管Q1和第三晶体管Q3中流过相同的集电极电流I₀。

如果挑选参数相同的第三晶体管Q3、第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、…、第n晶体管Q1n，则有：

β3＝β10＝β11＝…＝β1n，VBE3＝VBE10＝VBE11＝…＝VBE1n。

由于第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、…、第n晶体管Q1n和第三晶体管Q3的基极相连，取样电阻R0与各比例电阻R10、R11、…、R1n的另一端与第四晶体管Q4集电极相连，于是第三晶体管Q3与第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11、…、第n晶体管Q1n构成多路镜像比例恒流电路。

因此，有如下关系成立，即：

Vbe3+I₀R0＝Vbe10+Ie1R10＝Vbe11+Ie2R11＝…＝Vbe1n+IenR1n

于是，有如下关系，即：

I₀R0＝Ie1R10＝Ie2R11＝…＝IenR1n

若忽略每个晶体管的基极电流，则有：

I₀1＝Ie1＝I0R0/R10

I₀2＝Ie2＝I0R0/R11

………

I₀n＝Ien＝I0R0/R1n

可见，镜像比例恒流源输出级的各路恒定电流分别与输入的基准电流I₀成比例，电流比例系数则由各晶体管发射极串入的电阻，即比例电阻R10、R11、…R1n和电流取样电阻R0的大小决定。改变各比例电阻R10、R11、…、R1n与取样电阻R0的比值，即可得到不同的输出电流。

本发明的多路镜像比例恒流源可由开关控制电路16控制，该开关控制电路16可控制多路发光二极管的同时亮灭。当数字信号Di＝“1”时，开关导通，多路发光二极管同时工作，可以获得连续光谱；当数字信号Di为脉冲信号时，开关处于调制状态，多路发光二极管同时以脉冲方式工作，可以获得调制光谱；当Di＝“0”时，开关关闭，多路发光二极管均不工作，可以节约电能。

根据以上技术方案提出的驱动电路，能令各路发光二极管的驱动电流保持恒定，进而使发光二极管发光强度稳定。同时，通过分别调整各路发光二极管的驱动电流大小、增减各路发光二极管的数量，可以在确定的波长范围内获得光谱强度相对平坦的光源。通过开关控制电路工作方式的选择，既可以得到连续光谱，也可以得到调制光谱，还可以在光谱仪器不工作时关闭多路发光二极管节约电能，有利于便携式仪器使用。

本驱动电路可以根据需要进行扩展，使用方便。扩展电路采用分立元件，成本低廉。

可以理解，上述电路中晶体管器件如果改用场效应管器件，能够获得更佳的恒流性能。

实施例2

给出一组元件的型号或电阻值的取值范围：

1、取样电阻R0和比例电阻R10、R11、…、R1n的取值范围：15～620欧姆，功率1～2W。

2、所使用的运算放大器A1型号：OP07、OP27、OP37、OP177、OP777、AD707、LT1007、LT1037等。

3、所有的三极管可以是普通晶体管，如BD243C、TIP31C、TIP41C等型号的晶体管；也可以是场效应管，如IRF540、MJE3055等型号的场效应管。

Claims

1.一种驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路，电路结构有基准电压发生电路(11)、低通滤波电路(12)、V/I₀转换电路(13)、镜像比例恒流源电路(14)及开关控制电路(16)；所述基准电压发生电路(11)产生的电压信号Vref经由电阻R1、电容C1构成的低通滤波电路(12)输入至V/I₀转换电路(13)的运算放大器A1的同相输入端引脚3；运算放大器A1的输出引脚6与第一晶体管Q1的基极相连；运算放大器A1的反相输入端引脚2经平衡电阻R2接至基准输入恒流源通道内的取样电阻R0的一端，该取样电阻R0的另一端接开关控制电路(16)中的第四晶体管Q4的集电极；其特征在于，所述的开关控制电路(16)由第三电阻R3和第四晶体管Q4构成，第四晶体管Q4的发射极接地，而第四晶体管Q4的基极经第三电阻R3接开关控制电路(16)的输入数字信号Di，并由数字信号Di完成开关控制动作；所述的镜像比例恒流源电路(14)，第一晶体管Q1的集电极经第五电阻R5与电源+Vdc相连，第一晶体管Q1的发射极连接第二晶体管Q2的基极并与第三晶体管Q3的集电极相连，第二晶体管Q2的集电极与第六电阻R6的一端相连，第六电阻R6的另一端与电源+Vdc相连；第二晶体管Q2的发射极分别与第三晶体管Q3和多路镜像比例恒流源电路(14)中的各晶体管Q10～Q1n的基极相连；第三晶体管Q3的发射极同时与平衡电阻R2、电流取样电阻R0相连；电流取样电阻R0的另一端接开关控制电路(16)中的第四晶体管Q4的集电极，并与镜像比例恒流源电路(14)中的各比例电阻R10～R1n相连；在多路镜像比例恒流源电路(14)中，各晶体管Q10～Q1n的基极分别与第三晶体管Q3的基极相连，各晶体管Q10～Q1n的集电极分别与各发光二极管负载D10～D1n的负极相连，各发光二极管负载D10～D1n的正极接电源+Vdc；各晶体管Q10～Q1n的发射极分别与各比例电阻R10～R1n的一端相连，各比例电阻R10～R1n的另一端与电流取样电阻R0相连；各晶体管Q10～Q1n及各比例电阻R10～R1n、分别与第三晶体管Q3及电流取样电阻R0各构成一个镜像电流电路I₀₁～I_0n，分别为各发光二极管负载D10～D1n提供与基准电流I₀成比例的镜像驱动电流；所述的V/I₀转换电路(13)，由运算放大器A1、平衡电阻R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、电流取样电阻R0构成。

2.根据权利要求1所述的驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路，其特征在于：所述的基准电压发生电路(11)为基准电压芯片或数模转换器。

3.根据权利要求1所述的驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路，其特征在于：所述的各发光二极管负载D10～D1n分别是单个发光二极管或串联的发光二极管组。

4.根据权利要求1所述的驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路，其特征在于：所述的开关控制电路(16)，第四晶体管Q4是大功率晶体管或场效应管，其分别与多路镜像比例恒流源电路(14)的公共端相连。

5.根据权利要求1或4所述的驱动多路发光二极管的镜像比例恒流源电路，其特征在于：所述的开关控制电路(16)的输入数字信号Di，来自数字集成电路，数字集成电路为微处理器、移位寄存器、译码器或光电耦合器。