CN111857218B - 一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源 - Google Patents

一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源，包括：一级大电流源，二级低噪声电流源。两级电流源形成并联结构，其中二级低噪声电流源产生的低噪声小电流，补偿一级大电流源输出电流的波动，使系统总体输出趋于平稳，在具有大电流输出能力的同时保持了低噪声电流源的噪声水平和分辨率。适用于对电流源驱动能力和电流噪声水平要求较高的领域。

Description

一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源
技术领域
本发明属于电子学领域，尤其涉及一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源。适用于对电流源驱动能力和电流噪声水平要求较高的领域。
背景技术
许多应用需要实用低噪声数控电流源。比如半导体激光二极管激励方法多采用电流注入方式,要得到稳定的输出功率,必须采用低噪声电流源，同时电流源的输出能力决定了激光输出功率上限，电流源的电流分辨力决定了激光输出功率分辨力。在磁测领域中，基于主动磁场抵消的非屏蔽SERF原子磁力仪采用抵消线圈补偿环境磁场，抵消线圈的驱动电流源的噪声直接决定了磁测系统的探测下限，电流源的分辨率决定了磁抵消的精度，从而影响磁共振线宽，进一步反映到系统噪声水平上。一般的电流源技术在电流较大时由于器件噪声限制难以达到低噪声输出水平，而具有低噪声水平的电流源难以同时具备高输出能力。
波兰弗罗茨瓦夫理工大学Grzegorz Dudzik曾提出一种二级低噪声电流源的结构，采用一个小电流源与一个大电流源并联，使小电流源补偿大电流源的噪声，但最终系统噪声受限于小电流源的控制电压噪声。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术不足，提出一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源。在大电流输出范围下实现低噪声水平，同时提供超出单个现有DAC分辨率的高数控分辨能力。适用于对驱动能力和电流噪声水平要求较高的领域。
本发明技术方案如下：
一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源，该电流源包括：
一级大电流源以及二级低噪声电流源，所述一级大电流源输出的输出电流I1并通过反馈转换成电压值，与一级大电流源的控制电压U1进行比较，比较后的误差对输出电流I1进行反馈调整；
所述二级低噪声电流源，输出补偿电流I2，与输出电流I1进行叠加后输出为输出电流Iout，并通过反馈将输出电流Iout转换成电压与一级电流源控制电压U1做差后与二级低噪声电流源控制电压U2进行比较，比较后的误差对补偿电流I2进行控制。
进一步地，所述一级大电流源包括：
一级电流源控制器，输出控制电压U1，
第一反馈控制运放器，同相输入端输入控制电压U1，反相输入端接受反馈电压；
第一反馈回路采样电阻，将输出的输出电流I1转换为电压值；
增益为G1的第一反馈回路差分放大器，将电压值放大后作为反馈电压输入至反馈控制运放器。
进一步地，一级电流源控制器与第一反馈控制运放器之间设置低通滤波器，将一级电流源控制器输出的电压在频带外的噪声滤除。
进一步地，所述第一反馈控制运放器与第一反馈回路采样电阻之间设置输出缓冲器。
进一步地，所述二级低噪声电流源包括：
二级低噪声电流源控制器，输出控制电压U2；
第二反馈控制运放器，同相输入端输入控制电压U2，反相输入端接受反馈电压；
第二反馈回路采样电阻，将输出电流Iout转换成电压；
增益为G2的第二反馈回路差分放大器，第二反馈回路采样电阻转换成的电压与一级电流源控制电压U1做差后放大作为反馈电压输入至第二反馈控制运放器，，经由第二反馈控制运放器进行比较，比较后的误差对补偿电流I2进行控制。
本发明具有如下的有益效果：
本发明两级电流源形成并联结构，其中二级低噪声电流源产生的低噪声小电流，补偿一级大电流源输出电流的波动，使系统总体输出趋于平稳，在具有大电流输出能力的同时保持了低噪声电流源的噪声水平和分辨率。适用于对电流源驱动能力和电流噪声水平要求较高的领域。
使用二级低噪声电流源产生的低噪声小电流I2，补偿一级大电流源输出电流I1的波动，即Iout＝I1+I2，使系统输出Iout趋于平稳，在输出大电流的同时达到低噪声水平。
二级低噪声电流源将采样电阻上的电压与一级大电流源中的控制电压U1进行差分并通过反馈回路差分放大器放大G2倍。从而实现输出电流在I1基础上精细控制，达到超过一级电流源控制与二级低噪声电流源控制的超高分辨率。
一级大电流源中的低通滤波器将一级电流源控制输出电压在频带外的噪声滤除，实现输出电流在低通滤波器频带外的低噪声。
一级大电流源中的低通滤波器滤除其频带外的噪声的同时也限制了系统在其频带外的响应。但二级低噪声电流源能够在低通滤波器2频带外提供二级低噪声电流源输出能力范围内的快速响应。
附图说明
图1低噪声小电流源补偿大电流源噪声示意图；
图2二级低噪声大电流高分辨率数控电流源结构图；
图3输出电流Iout及一级大电流源输出电流I1的噪声水平；
1.一级大电流源控制器，2.低通滤波器，3.第一反馈控制运放器，4.输出缓冲器，5.第一反馈回路差分放大器，6.第一反馈回路采样电阻，7.第二反馈控制运放器，8.第二反馈回路差分放大器，9.第二反馈回路采样电阻，10.二级低电流源控制器，11.二级低噪声电流源，12.一级大电流源。
具体实施方式
参见图2所示，一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源，包括：一级大电流源12，二级低噪声电流源11，一级大电流源以及二级低噪声电流源，所述一级大电流源输出的输出电流I1并通过反馈转换成电压值，与一级大电流源输出的控制电压U1进行比较，比较后的误差对输出电流I1进行反馈调整；
所述二级低噪声电流源，输出补偿电流I2，与输出电流I1进行叠加后输出为输出电流Iout，并通过反馈将输出电流Iout转换成电压与一级电流源控制电压U1做差后与二级低噪声电流源控制电压U2进行比较，比较后的误差对补偿电流I2进行控制。
所述一级大电流源12包括一级电流源控制器1，低通滤波器2，第一反馈控制运放器3，输出缓冲器4，第一反馈回路采样电阻6，增益为G1的第一反馈回路差分放大器5；所述二级低噪声电流源11包括二级低噪声电流源控制器10，第二反馈控制运放器7，第二反馈回路采样电阻9，增益为G2的第二反馈回路差分放大器8。所述一级电流源控制器，输出控制电压U1，第一反馈控制运放器，一输入端输入控制电压U1，另一输入端接受反馈电压；第一反馈回路采样电阻，将输出的输出电流I1转换为电压值；增益为G1的第一反馈回路差分放大器，将电压值放大后作为反馈电压输入至反馈控制运放器。一级电流源控制器与第一反馈控制运放器设置低通滤波器，将一级电流源控制器输出的电压在频带外的噪声滤除。第一反馈控制运放器与第一反馈回路采样电阻之间设置输出缓冲器。
所述二级低噪声电流源包括：
二级低噪声电流源控制器，输出控制电压U2；
第二反馈控制运放器，同相输入端输入控制电压U2，反相输入端接受反馈电压；
第二反馈回路采样电阻，将输出电流Iout转换成电压；
增益为G2的第二反馈回路差分放大器，第二反馈回路采样电阻转换成的电压与一级电流源控制电压U1做差后放大作为反馈电压输入至第二反馈控制运放器，经由第二反馈控制运放器进行比较，比较后的误差对补偿电流I2进行控制。
二级低噪声电流源11产生的低噪声小电流I2，补偿一级大电流源12输出电流I1的波动，即系统输出Iout＝I1+I2，使Iout趋于平稳，几乎不受I1波动的影响，在输出大电流的同时达到低噪声水平。二级低噪声电流源11将第二反馈回路采样电阻9上的电压与一级大电流源12中的控制电压U1进行差分并通过第二反馈回路差分放大器8放大G2倍。从而实现输出电流在I1基础上精细控制，达到超过一级电流源控制器1与二级低噪声电流源控制器10的超高分辨率。
一级大电流源12中的低通滤波器2将一级大电流源控制器1输出电压在频带外的噪声滤除，实现输出电流在低通滤波器2频带外的低噪声。
一级大电流源12中的低通滤波器2滤除其频带外的噪声的同时也限制了系统在其频带外的响应。但二级低噪声电流源11能够在低通滤波器2频带外提供二级低噪声电流源11输出能力范围内的快速响应。
第一反馈控制运放器以及第二反馈控制运放器优先选择低失调电压，低电压漂移的精密运放，以提高输出电流的精度及稳定性。
第一反馈回路差分放大器以及第二反馈回路差分放大器优先选用低输入电压噪声的差分放大器，其次选择低失调电压，低电压漂移，低增益漂移的差分放大器。
在一级大电流源12中，通过反馈回路采样电阻将输出电流I1转换成电压，放大G1倍后与控制电压U1进行比较，比较后的误差经过反馈控制运放器3控制输出缓冲器4对输出电流I1进行反馈调整，最后将I1调节在设定值U1/(G1R1)并保持不变。二级低噪声电流源11中通过反馈回路采样电阻将输出电流Iout转换成电压，与一级电流源控制电压U1做差并放大G2倍后与二级低噪声电流源控制电压U2进行比较，比较后的误差经过第二反馈控制运放器7对补偿电流I2进行控制，最后将Iout调节在设定值(U2/G2+U1)/R2并保持不变。
参见图1所示，一级大电流源与二级低噪声电流源并联，使二级低噪声电流源的输出电流I2叠加在一级大电流源的输出电流I1上，I2补偿I1在时域上的波动，使总体输出Iout＝I1+I2趋于平稳，几乎不受I1波动的影响，达到总体输出低噪声的效果。
下面结合具体实例进行详细说明。
一级电流源控制DAC1、二级低噪声电流源控制DAC10采用20位分辨率，输出电压可达±10V的AD5791，低通滤波器2采用一阶巴特沃斯滤波器，截止频率10Hz，第一反馈控制运放器3、第二第反馈控制运放器7采用高精度、低输入失调电压运放ADA4522，输出缓冲器4采用最高输出电流250mA的Buf634，反馈回路采样电阻6采用低温漂的5Ω电阻，反馈回路差分放大器5采用低输入失调电压的AD8421，其增益配置为G1＝10，第二反馈回路采样电阻9低温漂的50Ω电阻，第二反馈回路差分放大器8采用输入噪声仅为1nV/Hz1/2的AD8429，其增益配置为G1＝100。在输出电流为200mA的情况下，输出电流Iout噪声水平及一级大电流源12输出电流I1的噪声水平如图3所示。由图可知，此二级低噪声大电流高分辨率数控电流源在输出电流达到200mA的情况下，噪声水平在10Hz～11kHz范围内低于40pA/Hz1/2。其理论电流分辨率可达到20V/100/50Ω/220≈3.8uA。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员可以理解，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种二级低噪声大电流高分辨率数控电流源，其特征在于，该电流源包括：
一级大电流源以及二级低噪声电流源，所述一级大电流源输出输出电流I1并通过反馈转换成电压值，与一级大电流源输出的控制电压U1进行比较，比较后的误差对输出电流I1进行反馈调整；
所述二级低噪声电流源，输出补偿电流I2，与输出电流I1进行叠加后输出为输出电流Iout，并通过反馈将输出电流Iout转换成电压与一级大电流源输出的控制电压U1做差后与二级低噪声电流源控制电压U2进行比较，比较后的误差对补偿电流I2进行控制。
2.按照权利要求1所述的电流源，其特征在于，所述一级大电流源包括：
一级电流源控制器，输出控制电压U1，
第一反馈控制运放器，一输入端输入控制电压U1，另一输入端接受反馈电压；
第一反馈回路采样电阻，将输出的输出电流I1转换为电压值；
增益为G1的第一反馈回路差分放大器，将电压值放大后作为反馈电压输入至反馈控制运放器。
3.按照权利要求2所述的电流源，其特征在于，一级电流源控制器与第一反馈控制运放器设置低通滤波器，将一级电流源控制器输出的电压在频带外的噪声滤除。
4.按照权利要求2所述的电流源，其特征在于，所述第一反馈控制运放器与第一反馈回路采样电阻之间设置输出缓冲器。
5.按照权利要求1所述的电流源，其特征在于，所述二级低噪声电流源包括：
二级低噪声电流源控制器，输出控制电压U2；
第二反馈控制运放器，一输入端输入控制电压U2，另一输入端接受反馈电压；
第二反馈回路采样电阻，将输出电流Iout转换成电压；
增益为G2的第二反馈回路差分放大器，第二反馈回路采样电阻转换成的电压与一级大电流源输出的控制电压U1做差后放大作为反馈电压输入至第二反馈控制运放器，经由第二反馈控制运放器进行比较，比较后的误差对补偿电流I2进行控制。
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