CN109976430A - 一种直流电源电路 - Google Patents

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张智
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Abstract

本发明公开一种直流电源电路，其包括电源输入单元、信号转换单元、电流镜电路单元以及电压输出单元；电源输入单元用于向信号转换单元输出基准电压；信号转换单元包括运算放大器、第一三极管和回路电阻R0，用于将基准电压信号转换为流经电流镜电路单元的电流信号，电流镜电路单元包括第二输入电源、基极互连的第二三极管Q2和第三三极管Q3，以及镜像电阻R1和R2；电压输出单元包括电压输出驱动器和由多个电阻串联组成的电阻串；电流镜电路单元的电流流过电压输出单元中的电阻串，进一步经输出驱动器后形成所需的最终输出电压。本发明的输出可用作低压或者高压直流测试电源或信号源，低噪声小，输出电压较稳定。

Description

一种直流电源电路
技术领域
本发明涉及直流电源技术领域，特别是一种直流电源电路。
背景技术
开关电源的纹波和噪声较大，不适合作为测试电源或者直流信号源。
传统的高压regulator（稳压电源）或者LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器）由于内部参考电压太低，使得产生高压时放大倍数太大，电源对地噪声的很敏感；高压线性电源的发热也使得的电源波动。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流电源电路，其输出可用作低压或者高压直流测试电源或信号源，对低噪声小，输出电压较稳定。
本发明采取的技术方案为：一种直流电源电路，包括电源输入单元、信号转换单元、电流镜电路单元以及电压输出单元；
电源输入单元包括第一输入电源和基准源电路，第一输入电源的电压输出端连接基准源电路的电压输入端；
信号转换单元包括运算放大器、第一三极管和回路电阻R0；第一三极管的基极连接运算放大器的信号输出端，回路电阻R0一端同时连接运算放大器的反相输入端和第一三极管的发射极，另一端接地；运算放大器的同相输入端连接基准源电路的电压输出端；
电流镜电路单元包括第二输入电源、基极互连的第二三极管Q2和第三三极管Q3，以及镜像电阻R1和R2；两镜像电阻分别一端连接第二输入电源，另一端连接Q2与Q3中一个三极管的发射极；Q2/Q3的集电极连接第一三极管Q1的集电极以及Q2和Q3的基极；
电压输出单元包括电压输出驱动器和由多个电阻串联组成的电阻串；电阻串一端连接Q3/Q2的集电极，另一端接地；电压输出驱动器的输入端连接在电阻串与Q3/Q2的集电极之间，输出端即直流电源电路的电压输出端。
本发明中，第一输入电源输出的电源电压高于最终需要得到的输出电压。电源输入单元用于提供基准电压，信号转换单元用于将电压信号转换为电流信号，电流镜电路单元的电流流过电压输出单元中的电阻串，进一步经输出驱动器后则形成了所需的输出电压。
由于最终输出电压的数值与基准源电路输出的基准电压Vref、电阻R0、电流镜电路单元中的电阻以及电阻串的电阻相关，因此可根据所需的最终输出电压，对电源输入单元需要输出的基准电压进行反推。同时，确定的电压输出情况下，电源输入单元提供的基准电压越大，电阻串中的电阻值越小，对地噪声的敏感度就越小。本发明的直流电源电路可适用于高压或者低压直流源的输出，运放、三极管以及电流镜电路单元综合运用使得最终输出电压具有较好的稳定性和精度，对地噪声大大减小。
进一步的，本发明电源输入单元中，所述基准源电路为可编程电源，包括基准源模块和DAC模块，DAC模块包括用于接收外部电压设定信号的电压设定端；基准源模块的基准电压输出端连接数模转换器的基准电压端，数模转换器的模拟信号输出端连接运算放大器的同相输入端。这种形式使得本发明可适应各种电压值的输出，只需根据输出电压调整外部电压设定信号即可。基准源模块与数模转换模块DAC相结合，进而通过控制器或上位机向DAC传输电压设定信号，进而得到所需电压参考信号，为现有技术。
更进一步的，本发明电压输出单元的电阻串中，至少一个相邻电阻之间的连接点上还连接有电压抽头。可用于输出与电压输出驱动器输出端数值不同的直流电压。
优选的，所述电阻串中各电阻的阻值相同，且等于回路电阻R0的阻值。可使得所需输出电压到基准电压的反推更加简化，方便电路的设计，特别是基准源电路采用可编程电源时的电压设定数值的计算更为容易。回路电阻R0采用高精度、低温漂的电阻。
优选的，回路电阻R0以及电流镜电路单元中的电阻R1和R2为由多个单位电阻Runit并联或串联组成的电阻。方便全局计算，输出电压确定的情况下，Vref越大，电阻串中的单位电阻数量就可以小一点，对地噪声的敏感度即变小。
优选的，所述第一三极管Q1为NPN三极管，第二三极管Q2和第三三极管Q3为PNP三极管。
优选的，电压输出驱动器采用运算放大器或LDO，即低压差线性稳压器。运算放大器可采用LTC6090高压运放芯片，具有高精度、低噪声的特点，可实现驱动同时确保输出电压的稳定性，减小对低噪声。电压输出驱动器M2可以是任何能够跟踪输入电压的器件，并具有低噪声和高稳定度。
优选的，所述基准源电路采用高精度低噪声的基准源模块，如型号LT1236 10V基准源或REF3033基准源等现有产品。即本发明的基准源电路可直接采用高精度低噪声的基准源模块，为运算放大器提供高精度低噪声的基准电压，从源头保障输出电压的高精度低噪声。
优选的，所述第一输入电源与第二输入电源为同一输入电压源，该输入电压源的输出端经降压电路后连接基准电压源。两电源的合并可使得电路结构更为简化，这种情况下，考虑第二输入电源的电压输出应当大于电路输出端的电压输出，因此，具有较高输出电压的输入电压源需要经降压电路，根据所需的参考电压，为基准电压源提供电压信号。降压电路可采用现有技术。
有益效果
本发明通过提供基准电压，到将基准电压转换为电流信号，再经电流镜电路单元将电流信号传输至电阻串，进而得到所需的输出电压。由于基准电压具有稳定性并可采用低噪声的基准源产生，而电流镜电路单元则可对电路电压波动具有很强的抑制性，因此使得最终输出的电压具有高稳定性、低噪声的特点。
此外，本发明通过各环节电阻值关系的设置使得由所需输出电压到基准电压的反推更为简单，简化了电路设计。当基准源由外部电压设定信号通过可编程电源实现时，则简化了电压设定的逻辑。
附图说明
图1所示为本发明直流电源电路的一种实施例电路示意图；
图2所示为本发明的另一种实施例电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
结合图1和图2，本发明的直流电源电路，包括电源输入单元、信号转换单元、电流镜电路单元以及电压输出单元；
电源输入单元包括第一输入电源和基准源电路，第一输入电源的电压输出端连接基准源电路的电压输入端；
信号转换单元包括运算放大器、第一三极管和回路电阻R0；第一三极管的基极连接运算放大器的信号输出端，回路电阻R0一端同时连接运算放大器的反相输入端和第一三极管的发射极，另一端接地；运算放大器的同相输入端连接基准源电路的电压输出端；运算放大器M1可以采用LTC6090，也可以是耐压较低的其它高性能运放。
电流镜电路单元包括第二输入电源、基极互连的第二三极管Q2和第三三极管Q3，以及镜像电阻R1和R2；两镜像电阻分别一端连接第二输入电源，另一端连接Q2与Q3中一个三极管的发射极；Q2/Q3的集电极连接第一三极管Q1的集电极以及Q2和Q3的基极；
电压输出单元包括电压输出驱动器和由多个电阻串联组成的电阻串；电阻串一端连接Q3/Q2的集电极，另一端接地；电压输出驱动器的输入端连接在电阻串与Q3/Q2的集电极之间，输出端即直流电源电路的电压输出端。
本发明中，第一输入电源输出的电源电压高于最终需要得到的输出电压。电源输入单元用于提供基准电压，信号转换单元用于将电压信号转换为电流信号，电流镜电路单元的电流流过电压输出单元中的电阻串，进一步经输出驱动器后则形成了所需的输出电压。
由于最终输出电压的数值与基准源电路输出的基准电压Vref、电阻R0、电流镜电路单元中的电阻以及电阻串的电阻相关，因此可根据所需的最终输出电压，对电源输入单元需要输出的基准电压进行反推。同时，确定的电压输出情况下，电源输入单元提供的基准电压越大，电阻串中的电阻值越小，对地噪声的敏感度就越小。本发明的直流电源电路可适用于高压或者低压直流源的输出，运放、三极管以及电流镜电路单元综合运用使得最终输出电压具有较好的稳定性和精度，对地噪声大大减小。
实施例1
参考图1所示，本实施例的直流电源电路中，基准源电路直接采用现有的高精度低噪声基准源模块产品，基于第一输入电源，为运算放大器提供高精度低噪声的基准电压Vref，从源头保障输出电压的高精度低噪声。
运算放大器M1采用高精度低噪声的运算放大器，Q1为NPN晶体管，电阻R0则采用高精度低温漂的电阻，电压输出驱动器M2采用高精度低噪声的运算放大器。M1、Q1与R0构成了一个电压转电流电路，所产生的电流流过R0为：Iref= Vref/R0。
第二输入电源Vdd与电阻R1、R2与PNP晶体管Q2、Q3构成电流镜电路单元。由于电流镜电路单元的一条电流臂与Q1集电极连接，后经R0接地，因此该电流臂中电阻R1上流过的电流可视作Iref。根据电流镜电路单元中的电流对应关系，另一条电流臂中电阻R2上流过的电流即：Io= Iref*R1/R2。流过该条电流臂上的电流同样流过电阻串，经电阻串分压后，电阻串前端引出点的电压经电压输出驱动运放后得到的最终输出电压即为：Vo= Io*R3，R3为电阻串的电阻。代入Io= Iref*R1/R2，以及Iref= Vref/R0，可知最终输出电压Vo仅与基准电压Vref、电阻R0、电流镜电路单元中的电阻以及电阻串的电阻相关，因此可根据所需的最终输出电压，对电源输入单元需要输出的基准电压进行反推。
考虑电阻串由n个与R0相同的等值电阻或者单位电阻Runit串联而成的情况，则Vo= Io*n*R0，或者Vo= Io*n*Runit，同时，确定的电压输出情况下，电源输入单元提供的基准电压越大Vref，电阻串中的电阻值越小，对地噪声的敏感度就越小，使用电压较高的基准源Vref结合信号转换电路可得到更高稳定度的电流，因此可以通过调整基准电压变大，电阻串阻值减小使得最终输出电压的对低噪声更小。
同时，R0、R1、R2 均可以由单位电阻Runit串联或并联构成相应的阻值，例如 R0=a*Runit; R1=b*Runit; R2=c*Runit; R3=n*Runit，则Vo= Vref/a* b/c*n，使得电路具有良好的热跟踪性能和匹配性能。
为了简化电路，第一输入电源与第二输入电源Vdd来源于同一电源输入模块，考虑第二输入电源Vdd高于基准电压Vref，因此电源输入模块的输出端经降压电路后向基准源模块提供电压源。
对于图1中的各电阻，通过选取大电阻减小电流，可以进一步平衡电路的热稳定性。
电阻串中，任意两电阻之间可分别设置中间抽头，用于引出不同电压值的直流电源。
电压输出驱动器M2采用高精度低噪声运算放大器，运算放大器M2的电源端接入电源Vdd，输入端和输出端则接成常规电压跟随的形式（输入接正相，反馈接反相）。此外M2页可以是LDO。
实施例2
参考图2所示，本实施例与实施例1不同的是，电源输入单元中，基准源电路为可编程电源，包括基准源模块和DAC模块，DAC模块包括用于接收外部电压设定信号的电压设定端；基准源模块的基准电压输出端连接数模转换器的基准电压端传输基准电源Vref，数模转换器的模拟信号输出端连接运算放大器的同相输入端输出电压Vp。上位机把预先设定的数值写入DAC，使得DAC产生电压Vp，进而可产生所需的Vo。这种情况下电流镜电流中R1上流过的电流为：Iref= Vp/R0。这种形式使得本发明可适应各种电压值的输出，只需根据输出电压调整外部电压设定信号即可。
基准源模块与数模转换模块DAC相结合，进而通过控制器或上位机向DAC传输电压设定信号，进而得到所需电压参考信号，为现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种直流电源电路，其特征是，包括电源输入单元、信号转换单元、电流镜电路单元以及电压输出单元；
电源输入单元包括第一输入电源和基准源电路，第一输入电源的电压输出端连接基准源电路的电压输入端；
信号转换单元包括运算放大器、第一三极管Q1和回路电阻R0；第一三极管的基极连接运算放大器的信号输出端，回路电阻R0一端同时连接运算放大器的反相输入端和第一三极管的发射极，另一端接地；运算放大器的同相输入端连接基准源电路的电压输出端；
电流镜电路单元包括第二输入电源、基极互连的第二三极管Q2和第三三极管Q3，以及镜像电阻R1和R2；两镜像电阻分别一端连接第二输入电源，另一端连接Q2与Q3中一个三极管的发射极；Q2/Q3的集电极连接第一三极管Q1的集电极以及Q2和Q3的基极；
电压输出单元包括电压输出驱动器和由多个电阻串联组成的电阻串；电阻串一端连接Q3/Q2的集电极，另一端接地；电压输出驱动器的输入端连接在电阻串与Q3/Q2的集电极之间，输出端即直流电源电路的电压输出端。
2.根据权利要求1所述的直流电源电路，其特征是，电源输入单元中，所述基准源电路为可编程电源，包括基准源模块和DAC模块，DAC模块包括用于接收外部电压设定信号的电压设定端；基准源模块的基准电压输出端连接数模转换器的基准电压端，数模转换器的模拟信号输出端连接运算放大器的同相输入端。
3.根据权利要求1或2所述的直流电源电路，其特征是，电压输出单元的电阻串中，至少一个相邻电阻之间的连接点上还连接有电压抽头。
4.根据权利要求1或2所述的直流电源电路，其特征是，所述电阻串中各电阻的阻值相同，且等于回路电阻R0的阻值。
5.根据权利要求1或2所述的直流电源电路，其特征是，回路电阻R0以及电流镜电路单元中的电阻R1和R2为由多个单位电阻Runit并联或串联组成的电阻。
6.根据权利要求1或2所述的直流电源电路，其特征是，所述第一三极管Q1为NPN三极管，第二三极管Q2和第三三极管Q3为PNP三极管。
7.根据权利要求1或2所述的直流电源电路，其特征是，电压输出驱动器采用运算放大器或LDO。
8.根据权利要求1所述的直流电源电路，其特征是，所述基准源电路采用高精度低噪声的基准源模块。
9.根据权利要求1或2所述的直流电源电路，其特征是，所述第一输入电源与第二输入电源为同一输入电压源，该输入电压源的输出端经降压电路后连接基准电压源。
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