CN108508955A - 一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，包括将放大器、输入电阻和反馈电阻一体集成的差动放大器、反馈缓冲器、三极管T2、电阻Rref和电阻Rload，差动放大器的正输入端连接有基准电压输出电路，差动放大器的负输入端接地，差动放大器的输出端连接三极管T2的基极，三极管T2的发射极连接差动放大器的SENSE接线端并依次串联电阻Rref和电阻Rload后接地，差动放大器的电压反馈输入端与反馈缓冲器的输出端以及负输入端连接，电阻Rref和电阻Rload之间的结点与反馈缓冲器的正输入端连接。本发明采用差动放大器提高外围电阻间的一致性，采用反馈缓冲器隔离电流输出回路和电压反馈回路，提高差动放大器相对外部的输入阻抗，使恒流源输出的电流更加准确。

Description

一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源
技术领域
本发明涉及精密恒流源技术领域，具体的说，是一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源。
背景技术
许多应用场合都需要精密恒流源，包括工业过程控制、仪器仪表、医疗设备和消费电子产品等等。例如，过程控制系统利用恒流源提供电阻温度检测器所需的激励电流；数字万用表利用恒流源测量电阻、电容和二极管；长距离信息传输系统利用恒流源来驱动通讯的电流环路。恒流源的质量直接决定着这些系统的整体性能。传统恒流源基本都采用运算放大器、电阻和其他分立器件构建，传统的压控恒流源电路如图1所示，NPN三极管工作在饱和区，采用放大器反馈来稳定负载电流。根据理想放大器“虚短”与“虚断”的概念，可推导负载电流的计算公式，如下式所示：Io＝Vref1×﹙Rf2÷Rg2+﹙Rf1÷Rg1﹚×﹙Rf2÷Rg2﹚﹚÷﹙Rref1﹙Rf2÷Rg2+1﹚+Rload1﹙Rf2÷Rg2-Rf1÷Rg1﹚﹚，如果Rg1＝Rg2＝Rf1＝Rf2，上式可以简化为：Io＝Vref1÷Rref1，根据以上负载电流计算公式的推到过程可知，影响传统压控恒流源精度和温度漂移的主要因素有：输入端电阻Rg1、输入端电阻Rg2、反馈电阻Rf1、反馈电阻Rf2的一致性，放大器相对外部的输入阻抗和温度漂移，以及参考电阻Rref1、基准电压Vref1的精度及温度稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，用于解决现有技术中由于电阻的一致性以及放大器的输入阻抗高引起的传统压控恒流源精度不高的问题。
本发明通过下述技术方案解决上述问题：
一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，包括将放大器、输入电阻和反馈电阻一体集成的差动放大器、反馈缓冲器、三极管T2、电阻Rref和电阻Rload，所述差动放大器的正输入端连接有基准电压输出电路，差动放大器的负输入端接地，差动放大器的输出端连接所述三极管T2的基极，三极管T2的发射极连接所述差动放大器的SENSE接线端并依次串联所述电阻Rref和电阻Rload后接地，差动放大器的电压反馈输入端与所述反馈缓冲器的输出端以及负输入端连接，电阻Rref和电阻Rload之间的结点与反馈缓冲器的正输入端连接。
原理：
将放大器、输入电阻和反馈电阻一体集成的差动放大器，芯片级的集成技术可大幅度提高电阻间的一致性。为了提高差动放大器相对外部的输入阻抗，在电阻Rref和电阻Rload之间的结点与电压反馈输入端增加了反馈缓冲器，可隔离电流输出回路和电压反馈回路，降低差动放大器电压反馈端的输入阻抗。因此，采用基于差动放大器和反馈缓冲器的压控恒流源电路在差动放大器解决了电阻的一致性以及反馈缓冲器降低差动放大器的输入阻抗下，可以获得高精度恒流源。
优选地，所述差动放大器包括放大器OP2和与所述放大器OP2集成一体的电阻Rg11、电阻Rf11、电阻Rg22和电阻Rf22，所述电阻Rg11的第一端、电阻Rf11的第一端分别连接放大器OP2的负输入端和正输入端，电阻Rg11的第二端接地、电阻Rf11的第二端与所述基准电压输出电路连接，所述电阻Rg22的一端与放大器OP2的负输入端连接，电阻Rg22的另一端与所述SENSE接线端连接，所述电阻Rf22的一端与放大器OP2的正输入端连接，另一端与所述电压反馈输入端连接。
电阻Rg11、电阻Rf11分别作为差动放大器的输入端电阻，电阻Rg22和电阻Rf22作为反馈电阻，与差动放大器集成在一块芯片，芯片级的集成技术可大幅度提高电阻间的一致性。
优选地，所述基准电压输出电路包括依次连接的控制芯片、数模转换器、运算放大器，所述运算放大器的输出端与所述差动放大器的正输入端连接。
控制芯片作为控制中心，采用微处理器STM32F103CBT6，通过SPI与数模转换器通信相连，可控制精密恒流源电路输出电流的大小。数模转换器采用低功耗16位数字模拟转换器AD5664，数模转换器与运算放大器连接，运算放大器选用精密、微功耗、低噪声、COMS轨到轨运算放大器AD8603，在数字模拟转换器AD5664与差分放大器之间也使用了COMS轨到轨运算放大器AD8603来隔离，保证了输出基准电压Vref的精度。差动放大器选用低温度漂移、低功耗的单位增益差分放大器AD8276，具有良好的温度稳定性，抑制温度漂移。
优选地，还包括为所述三极管T2、差动放大器、反馈缓冲器和基准电压输入电路提供电压的电源电路。
优选地，所述电源电路包括CMOS线性稳压器，所述CMOS线性稳压器的电压输入端连接滤波电路后与电池连接，CMOS线性稳压器的电压输出端分别与所述基准电压输出电路、差动放大器、反馈缓冲器的电压输入端以及三极管T2的集电极连接。
电源电路采用低噪声、高稳定的CMOS线性稳压器ADP7104，将电池输入的9～12V的输入电压转换为+5V的输出电压，为三极管T2、差动放大器、反馈缓冲器和基准电压输入电路提供工作电压。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用差动放大器提高外围电阻间的一致性，采用反馈缓冲器隔离电流输出回路和电压反馈回路，提高差动放大器相对外部的输入阻抗，使恒流源输出的电流更加准确。
(2)本发明采用单片机嵌入式技术和数字模拟转换技术，可通过外部信号调整精密恒流源输出电流的大小。
(3)本发明选用了低噪声、低功耗、低温度漂移、尺寸小的器件，降低了恒流源输出电流的温度漂移，减小了整个系统的尺寸，具有尺寸小，精度高，温度稳定性好，数字接口方便使用等优点。
附图说明
图1为基于放大器的传统压控恒流源电路图；
图2为本发明中第一种具体实施方式的电路原理图；
图3为本发明中第二种具体实施方式的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合附图1所示，一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，包括将放大器、输入电阻和反馈电阻一体集成的差动放大器U1、反馈缓冲器U3、三极管T2、电阻Rref和电阻Rload，所述差动放大器U1的正输入端连接有基准电压输出电路U2，差动放大器U1的负输入端接地，差动放大器U1的输出端连接所述三极管T2的基极，三极管T2的发射极连接所述差动放大器U1的SENSE接线端并依次串联所述电阻Rref和电阻Rload后接地，差动放大器U1的电压反馈输入端与所述反馈缓冲器U3的输出端以及负输入端连接，电阻Rref和电阻Rload之间的结点与反馈缓冲器U3的正输入端连接。所述差动放大器U1包括放大器OP2和与所述放大器OP2集成一体的电阻Rg11、电阻Rf11、电阻Rg22和电阻Rf22，所述电阻Rg11的第一端、电阻Rf11的第一端分别连接放大器OP2的负输入端和正输入端，电阻Rg11的第二端接地、电阻Rf11的第二端与所述基准电压输出电路连接，所述电阻Rg22的一端与放大器OP2的负输入端连接，电阻Rg22的另一端与所述SENSE接线端连接，所述电阻Rf22的一端与放大器OP2的正输入端连接，另一端与所述电压反馈输入端连接。
原理：
将电阻Rg11、电阻Rf11分别作为差动放大器U1的输入端电阻，电阻Rg22和电阻Rf22作为反馈电阻，与差动放大器U1集成在一块芯片形成差动放大器U1，芯片级的集成技术可大幅度提高电阻间的一致性。为了提高差动放大器相对外部的输入阻抗，在电阻Rref和电阻Rload之间的结点与电压反馈输入端增加了反馈缓冲器U3，可隔离电流输出回路和电压反馈回路，降低差动放大器U1电压反馈端的输入阻抗。因此，采用基于差动放大器和反馈缓冲器的压控恒流源电路在差动放大器解决了电阻的一致性U1以及反馈缓冲器U3降低差动放大器U1的输入阻抗下，可以获得高精度恒流源。
实施例2：
在实施例1的基础上，结合图2所示，所述基准电压输出电路U2包括依次连接的控制芯片U21、数模转换器U22、运算放大器U23，所述运算放大器U23的输出端与所述差动放大器U1的正输入端连接。为所述三极管T2、差动放大器U1、反馈缓冲器U3和基准电压输入电路U2提供电压的电源电路包括CMOS线性稳压器U4，所述CMOS线性稳压器U4的电压输入端连接滤波电路后与电池连接，CMOS线性稳压器U4的电压输出端分别与所述基准电压输出电路U2、差动放大器U1、反馈缓冲器U3的电压输入端以及三极管T2的集电极连接。
电源电路采用低噪声、高稳定的CMOS线性稳压器ADP7104，将电池输入的9～12V的输入电压转换为+5V的输出电压，为三极管T2、差动放大器U1、反馈缓冲器U3和基准电压输入电路U2提供工作电压。控制芯片U21作为控制中心，采用微处理器STM32F103CBT6，通过SPI与数模转换器U22通信相连，可控制精密恒流源电路输出电流的大小。数模转换器U22采用低功耗16位数字模拟转换器AD5664，数模转换器U22与运算放大器U23连接，运算放大器U23选用精密、微功耗、低噪声、COMS轨到轨运算放大器AD8603，在数字模拟转换器AD5664与差分放大器U1之间也使用了COMS轨到轨运算放大器AD8603来隔离，保证了输出基准电压Vref的精度。差动放大器U1选用低温度漂移、低功耗的单位增益差分放大器AD8276，具有良好的温度稳定性，抑制温度漂移。本发明采用单片机嵌入式技术和数字模拟转换技术，可通过外部信号调整精密恒流源输出电流的大小，选用了低噪声、低功耗、低温度漂移、尺寸小的器件，降低了恒流源输出电流的温度漂移，减小了整个系统的尺寸，具有尺寸小，精度高，温度稳定性好，数字接口方便使用等优点。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (5)

1.一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，其特征在于，包括将放大器、输入电阻和反馈电阻一体集成的差动放大器(U1)、反馈缓冲器(U3)、三极管T2、电阻Rref和电阻Rload，所述差动放大器(U1)的正输入端连接有基准电压输出电路(U2)，差动放大器(U1)的负输入端接地，差动放大器(U1)的输出端连接所述三极管T2的基极，三极管T2的发射极连接所述差动放大器(U1)的SENSE接线端并依次串联所述电阻Rref和电阻Rload后接地，差动放大器(U1)的电压反馈输入端与所述反馈缓冲器(U3)的输出端以及负输入端连接，电阻Rref和电阻Rload之间的结点与反馈缓冲器(U3)的正输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，其特征在于，所述差动放大器(U1)包括放大器OP2和与所述放大器OP2集成一体的电阻Rg11、电阻Rf11、电阻Rg22和电阻Rf22，所述电阻Rg11的第一端、电阻Rf11的第一端分别连接放大器OP2的负输入端和正输入端，电阻Rg11的第二端接地、电阻Rf11的第二端与所述基准电压输出电路连接，所述电阻Rg22的一端与放大器OP2的负输入端连接，电阻Rg22的另一端与所述SENSE接线端连接，所述电阻Rf22的一端与放大器OP2的正输入端连接，另一端与所述电压反馈输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，其特征在于，所述基准电压输出电路(U2)包括依次连接的控制芯片(U21)、数模转换器(U22)、运算放大器(U23)，所述运算放大器(U23)的输出端与所述差动放大器(U1)的正输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，其特征在于，还包括为所述三极管T2、差动放大器(U1)、反馈缓冲器(U3)和基准电压输入电路(U2)提供电压的电源电路。
5.根据权利要求4所述的一种基于差动放大器和反馈缓冲器的精密恒流源，其特征在于，所述电源电路包括CMOS线性稳压器(U4)，所述CMOS线性稳压器(U4)的电压输入端连接滤波电路后与电池连接，CMOS线性稳压器(U4)的电压输出端分别与所述基准电压输出电路(U2)、差动放大器(U1)、反馈缓冲器(U3)的电压输入端以及三极管T2的集电极连接。
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