CN110737301B - 基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统和方法 - Google Patents

基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统，它包括运算放大器U1、运算放大器U2、差分运算放大器U3、运算放大器U4、三极管Q1和三极管Q2，所述运算放大器U1形成跟随器驱动模块，运算放大器U2、三极管Q1和三极管Q2构成功率放大模块，差分运算放大器U3、电阻R2～电阻R5构成的差分反馈模块，运算放大器U4构成电压抬升模块。本发明基于多运放反馈回路实现高精度稳流，充分利用了现有集成电路的优势，使得电路简单，需要元器件少，解决来了小体积电流源的精度问题。

Description

基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统和方法
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，具体地指一种基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统和方法。
背景技术
如今电路作为手段的处理方法已经逐步涵盖了各个领域，特别是在仪控领域，通过电路将被控物理量转化为电参数，从而实现数字化的方式控制被控量。低信号失真、低传输成本又能远距离传输的微电流作为仪控领域的一种信号传输方式已被广泛应用于各个行业。随着微电流的应用，微电流测量电路也大量应用于许多装置，如舰船上使用的定值器等。微电流设备的测量精度主要依靠微电流信号源对微电流测量电路进行定期的测试与校准，而微电流源的研究一直是困扰着较多行业的难点问题。
微电流源的技术研究主要集中在三个方向，即电阻式、电容式和反馈式。其中在电子元器件技术还达不到微电流测量需求的时期，主要的微电流源研究集中在基于电阻式和电容式微电流源的方向。而高阻值电阻的精度的漂移限制着电阻式微电流源的精度。电容式微电流信号在产生极低的电流值方面具有很大的优势，但是其仍然使用了开环的结构，即充电电容的误差将直接影响输出，而且标准电容通常使用空气作为介质，具有较大的体积，不便于小体积的电流源实现。如果校准设备太大，则无法用于现场测试，使得被测单元电路只能拆缷下来，送到生产单位或厂房进行测试和校准，极大地降低了效率且大幅度增加了成本。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统和方法，本发明可以实现单路正负可调的高精度电流输出，主要是为适用于小型高精度电流源。
为实现此目的，本发明所设计的一种基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统，其特征在于：它包括运算放大器U1、运算放大器U2、差分运算放大器U3、运算放大器U4、三极管Q1和三极管Q2，其中，运算放大器U1的同相输入端用于接入可控模拟输入电压VIN，运算放大器U1的反相输入端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U4的同相输入端用于连接接入基准电压VREF，运算放大器U4的反相输入端连接运算放大器U4的输出端；
运算放大器U2的同相输入端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U2的反相输入端连接差分运算放大器U3的输出端，运算放大器U2的输出端连接三极管Q1和三极管Q2的基极，三极管Q1的集电极用于接入供电端正极VCC，三极管Q1的发射极连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的发射极接入供电端负极-VCC，三极管Q1的发射极连接取样电阻R1的一端，取样电阻R1的另一端为稳流系统电流输出端，取样电阻R1的一端连接差分运算放大器U3的同相输入端，取样电阻R1的另一端连接差分运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U4的输出端连接差分运算放大器U3的同相输入端，差分运算放大器U3的反相输入端连接差分运算放大器U3的输出端。
一种利用上述系统的稳流方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：可控模拟输入电压VIN经运算放大器U1所构成的跟随器驱动后得到增强了驱动能力和稳定性的可控模拟输入电压VIN，将增强了驱动能力和稳定性的可控模拟输入电压VIN送入由运算放大器U2、三极管Q1和三极管Q2构成的功率放大模块；
步骤2：模拟电压信号经运算放大器U2同向放大后送到三极管Q1和三极管Q2的基级，使三极管Q1和三极管Q2工作在线性放大区，实现功率放大；
步骤3：取样电阻R1将三极管Q1和三极管Q2输出的电流信号以电压差的形式采集出来，并将电压差信号送到由差分运算放大器U3、电阻R2～电阻R5构成的差分反馈模块，流过取样电阻R1的电流为稳流系统的输出电流；
步骤4：差分运算放大器U3将取样电阻R1两端的电压差信号差分放大后送到运算放大器U2的反相端，使得取样电阻R1两端的电压值稳定在可控模拟输入电压VIN的电压值，即取样电阻R1的电压不随负载而改变，而是跟随可控模拟输入电压VIN的电压值而改变，从而达到稳流的效果。
本发明的优点在于：
1、本发明基于多运放反馈回路实现高精度稳流，充分利用了现有集成电路的优势，很少的元器件就能实现超高精度的稳流输出，使得稳流电路可以做到小型化，解决了小体积电流源的精度问题。
2、本发明基于加法器，提出了一种输出负电流的思路，使得电流源无需单独提供一个负电流输出通道，即单通道就可输出正负可调的电流。输出量程可以横跨正负，解决一般稳流方法只能实现单相输出的问题，即一般稳流只能要么通道只能输出正电流或者只能输出负电流，如果要既能输出正电流要能输出负电流，就得两个通道。而本方法只需要一个通道。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的一种基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统，它包括运算放大器U1、运算放大器U2、差分运算放大器U3、运算放大器U4、三极管Q1和三极管Q2，其中，运算放大器U1的同相输入端用于接入可控模拟输入电压VIN，运算放大器U1的反相输入端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U4的同相输入端用于连接接入基准电压VREF，运算放大器U4的反相输入端连接运算放大器U4的输出端；
运算放大器U2的同相输入端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U2的反相输入端连接差分运算放大器U3的输出端，运算放大器U2的输出端连接三极管Q1和三极管Q2的基极，三极管Q1的集电极用于接入供电端正极VCC，三极管Q1的发射极连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的发射极接入供电端负极-VCC，三极管Q1的发射极连接取样电阻R1的一端，取样电阻R1的另一端为稳流系统电流输出端，取样电阻R1的一端连接差分运算放大器U3的同相输入端，取样电阻R1的另一端连接差分运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U4的输出端连接差分运算放大器U3的同相输入端，差分运算放大器U3的反相输入端连接差分运算放大器U3的输出端。
上述技术方案中，可控模拟电压可通过高精度数模转换器输出。数模转换器的输出精度对电流输出精度影响较大，故应选择精度较高的数模转换器，如TI公司推出的16位单通道数模转换器DAC8830，其可由单片机控制而实现高精度可控模拟电压的输出，为减少运放对模拟电压VIN电压精度产生的不利影响，运算放大器U1应选则高精度、低噪声、低漂移运算放大器，如TI公司的高精度、低噪声、轨至轨零漂移运算放大器OPA188、OPA192等。
三极管Q1和Q1的电源的干净程度直接影响电流输出的精度，因为直流电源噪声将直接叠加在输出电流的输出端，影响电流源的输出精度，因此要求电源电压具有较低的噪声。同样为减少运放对精度产生的不利影响，部分2的运算放大器U2应选则高精度、低噪声、低漂移运算放大器，如TI公司的高精度、低噪声、轨至轨零漂移运算放大器OPA188、OPA192等；
上述技术方案中，所述取样电阻R1的一端通过匹配电阻R2连接差分运算放大器U3的同相输入端，取样电阻R1的另一端通过匹配电阻R3连接差分运算放大器U3的反相输入端，差分运算放大器U3的反相输入端通过匹配电阻R4连接差分运算放大器U3的输出端，运算放大器U4的输出端通过匹配电阻R5连接差分运算放大器U3的同相输入端。
上述技术方案中，所述运算放大器U1形成跟随器驱动模块，运算放大器U2、三极管Q1和三极管Q2构成功率放大模块，差分运算放大器U3、匹配电阻R2～匹配电阻R5构成的差分反馈模块，运算放大器U4构成电压抬升模块。
上述技术方案中，所述取样电阻R1为高精度低温漂电阻。取样电阻R1的精度对输出电流的精度及稳定性影响极大，而且取样电阻也存在一定功耗，为此，应选择低温漂电阻，如金属铂贴片电阻SMR3D。
上述技术方案中，三极管Q1为NPN型三极管和三极管Q2为PNP型三极管。
一种利用上述系统的稳流方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：可控模拟输入电压VIN经运算放大器U1所构成的跟随器驱动后得到增强了驱动能力和稳定性的可控模拟输入电压VIN，将增强了驱动能力和稳定性的可控模拟输入电压VIN送入由运算放大器U2、三极管Q1和三极管Q2构成的功率放大模块；
步骤2：模拟电压信号经运算放大器U2同向放大后送到三极管Q1和三极管Q2的基级，使三极管Q1和三极管Q2工作在线性放大区，实现功率放大；
步骤3：取样电阻R1将三极管Q1和三极管Q2输出的电流信号以电压差的形式采集出来，并将电压差信号送到由差分运算放大器U3、匹配电阻R2～匹配电阻R5构成的差分反馈模块，流过取样电阻R1的电流为稳流系统的输出电流；
步骤4：差分运算放大器U3将取样电阻R1两端的电压差信号差分放大后送到运算放大器U2的反相端，使得取样电阻R1两端的电压值稳定在可控模拟输入电压VIN的电压值，即取样电阻R1的电压不随负载而改变，而是跟随可控模拟输入电压VIN的电压值而改变，从而达到稳流的效果；
步骤5：运算放大器U4给差分运算放大器U3同相输入端提供基准电压VREF，在差分运算放大器U3和电阻R2～电阻R5所构成的差分反馈模块中，形成一个加法电路，将取样电阻R1过来的电压差信号进行抬升，使得输出量程电流的零点实现电压抬升，即稳流系统输出量程电流的零点上移，以实现稳流系统能输出可调负电流，输出量程可通过基准电压VREF来调节。
上述技术方案的步骤3中，稳流系统的输出电流如公式1所示：
Figure BDA0002252141540000061
IOUT为稳流系统的输出电流；R1为取样电阻的阻值；n为差分运算放大器的放大倍数，VIN为可控模拟输入电压；上述公式可知，取样电阻R1的精度对输出电流的精度及稳定性影响极大，而且取样电阻R1也存在一定功耗，为此，应选择低温漂电阻，如金属铂贴片电阻SMR3D；。
上述技术方案的步骤4中，差分运算放大器U3是反相输入和同相输入相结合的放大器，利用叠加原理有如下差分反馈关系式：
Figure BDA0002252141540000062
其中，R2＝R3、R4＝R5，从而简化公式得公式3；
Figure BDA0002252141540000063
VREF为基准电压，VOUT为差分运算放大器U3的输出电压，而V2-V1为取样电阻R1两端的电压差，R4/R2则是差分运算放大器U3的放大倍数n，此处不建议放大倍数太大，因为将取样电阻两端的电压放大的同时也是将电路噪声放大，所以放大倍数太大不利于提高电流源输出精度。当VREF＝0V且VOUT＜VIN时，即取样电阻两端的电压差经n倍放大后小于输入电压VIN时，运算放大器U1输出变大，使得输出电流变大，从而取样电阻R1两端的电压差变大；当VOUT＞VIN时，即取样电阻R1两端的电压差经n放大后大于输入电压VIN时，运算放大器U1则输出变小，使得输出电流变小，从而取样电阻R1两端的电压差变小，进而使得取样电阻R1两端的电压差经n倍放大后的值稳定在输入电压值，即取样电阻R1的电流不随负载而改变，而是跟随输入电压而改变，从而达到稳流的效果。
如公式3可知，当取样电阻两端的电压差为0V时，此时VIN＝VREF，当可控模拟输入电压VIN小于基准电压VREF时，即VIN<VREF，因为可控模拟输入电压VIN等于差分运算放大器U3的输出电压VOUT，可得
Figure BDA0002252141540000071
即可得出输出电流为负，综上，电流源模块的输出范围如公式(5)所示：
Figure BDA0002252141540000072
其中，可根据自身量程和分辨率选择不同的参数。如选择输出能力为0～5V的DAC，100Ω的取样电阻，2.5V的基准电压，1倍的差分放大倍数，则可以实现±25毫安的输出。
上述技术方案的步骤4中，为保证超高精度的输出电流，差分反馈模块中的差分放大倍数必须稳定在一定值不变，因此要求差分反馈模块中的匹配电阻R2、R3、R4、R5匹配度极高，此处推荐使用四路精密匹配电阻网络LT5400-X系列精密电阻网络，即四个电阻集成在一片芯片上，该芯片的匹配电阻的匹配误差低至0.01％，匹配温度漂移低至0.2PPM/℃，满足精度要求。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于多运放反馈回路的高精度正负可调型稳流系统的稳流方法，其特征在于：高精度正负可调型稳流系统包括运算放大器U1、运算放大器U2、差分运算放大器U3、运算放大器U4、三极管Q1和三极管Q2，其中，运算放大器U1的同相输入端用于接入可控模拟输入电压VIN，运算放大器U1的反相输入端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U4的同相输入端用于连接接入基准电压VREF，运算放大器U4的反相输入端连接运算放大器U4的输出端；
运算放大器U2的同相输入端连接运算放大器U1的输出端，运算放大器U2的反相输入端连接差分运算放大器U3的输出端，运算放大器U2的输出端连接三极管Q1和三极管Q2的基极，三极管Q1的集电极用于接入供电端正极VCC，三极管Q1的发射极连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的发射极接入供电端负极-VCC，三极管Q1的发射极连接取样电阻R1的一端，取样电阻R1的另一端为稳流系统电流输出端，取样电阻R1的一端连接差分运算放大器U3的同相输入端，取样电阻R1的另一端连接差分运算放大器U3的反相输入端，运算放大器U4的输出端连接差分运算放大器U3的同相输入端，差分运算放大器U3的反相输入端连接差分运算放大器U3的输出端；
所述运算放大器U1形成跟随器驱动模块，运算放大器U2、三极管Q1和三极管Q2构成功率放大模块，差分运算放大器U3、匹配电阻R2～匹配电阻R5构成的差分反馈模块，运算放大器U4构成电压抬升模块；
所述稳流方法包括如下步骤：
步骤1：可控模拟输入电压VIN经运算放大器U1所构成的跟随器驱动后得到增强了驱动能力和稳定性的可控模拟输入电压VIN，将增强了驱动能力和稳定性的可控模拟输入电压VIN送入由运算放大器U2、三极管Q1和三极管Q2构成的功率放大模块；
步骤2：模拟电压信号经运算放大器U2同向放大后送到三极管Q1和三极管Q2的基级，使三极管Q1和三极管Q2工作在线性放大区，实现功率放大；
步骤3：取样电阻R1将三极管Q1和三极管Q2输出的电流信号以电压差的形式采集出来，并将电压差信号送到由差分运算放大器U3、匹配电阻R2～匹配电阻R5构成的差分反馈模块，流过取样电阻R1的电流为稳流系统的输出电流；
步骤4：差分运算放大器U3将取样电阻R1两端的电压差信号差分放大后送到运算放大器U2的反相端，使得取样电阻R1两端的电压值稳定在可控模拟输入电压VIN的电压值，即取样电阻R1的电压不随负载而改变，而是跟随可控模拟输入电压VIN的电压值而改变，从而达到稳流的效果；
差分运算放大器U3是反相输入和同相输入相结合的放大器，利用叠加原理有如下差分反馈关系式：
Figure FDA0002604360380000021
其中，R2＝R3、R4＝R5，从而简化公式得公式3；
Figure FDA0002604360380000022
VREF为基准电压，VOUT为差分运算放大器U3的输出电压，而V2-V1为取样电阻R1两端的电压差，R4/R2则是差分运算放大器U3的放大倍数n，当VREF＝0V且VOUT＜VIN时，即取样电阻两端的电压差经n倍放大后小于输入电压VIN时，运算放大器U1输出变大，使得输出电流变大，从而取样电阻R1两端的电压差变大；当VOUT＞VIN时，即取样电阻R1两端的电压差经n放大后大于输入电压VIN时，运算放大器U1则输出变小，使得输出电流变小，从而取样电阻R1两端的电压差变小，进而使得取样电阻1两端的电压差经n倍放大后的值稳定在输入电压值，即取样电阻R1的电流不随负载而改变，而是跟随输入电压而改变，从而达到稳流的效果；
如公式3可知，当取样电阻两端的电压差为0V时，此时VIN＝VREF，当可控模拟输入电压VIN小于基准电压VREF时，即VIN<VREF，因为可控模拟输入电压VIN等于差分运算放大器U3的输出电压VOUT，可得
Figure FDA0002604360380000031
即可得出输出电流为负，综上，电流源模块的输出范围如公式(5)所示：
Figure FDA0002604360380000032
2.根据权利要求1所述的稳流方法，其特征在于：所述取样电阻R1的一端通过匹配电阻R2连接差分运算放大器U3的同相输入端，取样电阻R1的另一端通过匹配电阻R3连接差分运算放大器U3的反相输入端，差分运算放大器U3的反相输入端通过匹配电阻R4连接差分运算放大器U3的输出端，运算放大器U4的输出端通过匹配电阻R5连接差分运算放大器U3的同相输入端。
3.根据权利要求1所述的稳流方法，其特征在于：所述取样电阻R1为金属铂贴片电阻。
4.根据权利要求1所述的稳流方法，其特征在于：三极管Q1为NPN型三极管和三极管Q2为PNP型三极管。
5.根据权利要求1所述的稳流方法，其特征在于：步骤4后还包括步骤5：运算放大器U4给差分运算放大器U3同相输入端提供基准电压VREF，在差分运算放大器U3和电阻R2～电阻R5所构成的差分反馈模块中，形成一个加法电路，将取样电阻R1过来的电压差信号进行抬升，使得输出量程电流的零点实现电压抬升，即稳流系统输出量程电流的零点上移，以实现稳流系统能输出可调负电流，输出量程可通过基准电压VREF来调节。
6.根据权利要求1所述的稳流方法，其特征在于：所述步骤3中，稳流系统的输出电流如公式1所示：
Figure FDA0002604360380000033
IOUT为稳流系统的输出电流；R1为取样电阻的阻值；n为差分运算放大器的放大倍数，VIN为可控模拟输入电压。
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