CN112859999B - 一种交流电流源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种对供电电源纹波不敏感的、可驱动感性和容性负载的、从零频即直流开始的宽频带中、高压大功率双向压控交流电流源，包括输入电压信号vin、电源VHp、电源VHn，还包括场效应管QM1、场效应管QM2、基准源Uz1和基准源Uz2，场效应管QM1的漏极通过电阻Rd1连接电源VHp，场效应管QM2的漏极通过电阻Rd2连接电源VHn，还包括场效应管QM3、场效应管QM4、场效应管QM5、场效应管QM6，根据场效应管、三极管的输出恒流特性、高电平电流取样和高电平电压电流变换等，本发明采用场效应管和运算放大器设计的交流电流源电路具有恒流精度高、可实现大电流恒流、外围电路简单的等优点。

Description

一种交流电流源电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种交流电流源电路。
背景技术
交流电流源电路广泛应用于工业、通信和其他设备，其输出电流为其他模块提供参考电流或驱动电流，电流源是电气测量、计量校准、电气试验不可或缺的功能电路。
现有交流电流源存在以下问题：1、高压大功率供电要实现稳压、低纹波(几毫伏或几十毫伏以下)，不但设备庞大，还有效率问题，而且稳压、滤波技术难度也大，现有对大电流最好的滤波方式是电感滤波，而电流源的供电末级却恰恰不能用电感滤波；2、由于电感的电流和端电压的相移，会使电流源无法正常工作，因此从零频(直流)开始的宽频带中难以实现交流电流源驱动感性负载，因此获得一种克服上述缺陷的交流电流源电路十分重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的一种对供电电源纹波不敏感的、可驱动感性和容性负载的、从零频即直流开始的宽频带中、高压大功率双向压控交流电流源，包括输入电压信号vin、电源VHp、电源VHn，还包括场效应管QM1、场效应管QM2、基准源Uz1和基准源Uz2，场效应管QM3和场效应管QM4的源极分别通过电阻Rd1、电阻Rd2连接电源VHp和电源VHn；场效应管QM1的源极通过电阻Rs1连接基准源Uz2的阳极，场效应管QM2的源极通过电阻Rs2连接基准源Uz1的阴极，基准源Uz1的阳极与基准源Uz2的阴极连接并接地，基准源Uz1的参考端连接可调电阻Rpz1，基准源Uz2的参考端连接可调电阻Rpz2，所述场效应管QM1的漏极通过电阻Rd1连接电源VHp，场效应管QM2的漏极通过电阻Rd2连接电源VHn；
还包括场效应管QM3和场效应管QM4，场效应管QM2的漏极连接场效应管QM4的栅极，场效应管QM1的漏极连接场效应管QM3的栅极；场效应管QM3和场效应管QM4的漏极的节点处接输出负载；
还包括场效应管QM5、场效应管QM6，场效应管QM5和场效应管QM6的栅极分别通过稳压二极管Dz1、稳压二极管Dz2连接场效应管QM3和场效应管QM4的源极，场效应管QM3的源极通过取样电阻Rs3连接电源VHp，场效应管QM4的源极通过取样电阻Rs4连接电源VHn。场效应管QM5和场效应管QM6的源极分别通过电阻Rs5和电阻Rs6连接电源VHp和电源VHn。
稳压二极管Dz1的正极和稳压二极管Dz2的负极之间接电阻Rdz3。
还包括运算放大器，所述输入电压信号vin通过电阻Ri连接运算放大器的反向输入端，运算放大器的同相输入端接地。运算放大器的输出端通过并联的电阻Rg1、二极管Dg1连接场效应管QM1的栅极，运算放大器的输出端通过并联的电阻Rg2、二极管Dg2连接场效应管QM2的栅极。其中运算放大器可为OP37。
场效应管QM1的源极通过电阻Rs1和限流电阻Rdz2后连接负电源电压VEE，场效应管QM2的源极通过电阻Rs2和限流电阻Rdz1后连接正电源电压VCC。
场效应管QM1、场效应管QM4和场效应管QM6为NQMS管；场效应管QM2、场效应管QM3和场效应管QM5为PQMS管，其中场效应管QM1和场效应管QM2的特性尽可能相同，场效应管QM3和场效应管QM4的特性尽可能相同，场效应管QM5和场效应管QM6的特性尽可能相同，基准源Uz1、基准源Uz2为三端可调精密基准源，二者的性能相同，二极管Dg1、二极管Dg2的性能相同；上述电子元器件形成的所述交流电流源电路对称，互为对称的电子元器件性能相同。
负电源电压VEE、正电源电压VCC，为±15V电源，电源VHp和电源VHn为高压正、负电源，大小取决于实际需要和场效应管QM1～场效应管QM4的耐压，一般|VHp|＝|VHn|＝VH。
由于三极管也具有输出恒流特性、高电平电流取样和高电平电压电流变换等特性，上述场效应管替换为三极管。
根据场效应管、三极管的输出恒流特性、高电平电流取样和高电平电压电流变换等，本发明采用场效应管和运算放大器设计的交流电流源电路具有恒流精度高、可实现大电流恒流、外围电路简单的等优点。
附图说明
图1为本发明电路图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，从而对本发明要求保护的范围作出更清楚地限定，下面就本发明的某些具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，以下仅是本发明构思的某些具体实施方式仅是本发明的一部分实施例，其中对于相关结构的具体的直接的描述仅是为方便理解本发明，各具体特征并不当然、直接地限定本发明的实施范围。
参阅附图所示，本发明采用以下技术方案，一种对供电电源纹波不敏感的、可驱动感性和容性负载的、从零频即直流开始的宽频带中、高压大功率双向压控交流电流源，包括输入电压信号vin、电源VHp、电源VHn，还包括场效应管QM1、场效应管QM2、基准源Uz1和基准源Uz2，场效应管QM3和场效应管QM4的源极分别通过电阻Rd1、电阻Rd2连接电源VHp和电源VHn；场效应管QM1的源极通过电阻Rs1连接基准源Uz2的阳极，场效应管QM2的源极通过电阻Rs2连接基准源Uz1的阴极，基准源Uz1的阳极与基准源Uz2的阴极连接并接地，基准源Uz1的参考端连接可调电阻Rpz1，基准源Uz2的参考端连接可调电阻Rpz2，所述场效应管QM1的漏极通过电阻Rd1连接电源VHp，场效应管QM2的漏极通过电阻Rd2连接电源VHn；
还包括场效应管QM3和场效应管QM4，场效应管QM2的漏极连接场效应管QM4的栅极，场效应管QM1的漏极连接场效应管QM3的栅极；场效应管QM3和场效应管QM4的漏极的节点处接输出负载；
还包括场效应管QM5、场效应管QM6，场效应管QM5和场效应管QM6的栅极分别通过稳压二极管Dz1、稳压二极管Dz2连接场效应管QM3和场效应管QM4的源极，场效应管QM3的源极通过取样电阻Rs3连接电源VHp，场效应管QM4的源极通过取样电阻Rs4连接电源VHn。
还包括运算放大器，所述输入电压信号vin通过电阻Ri连接运算放大器的反向输入端，运算放大器的同相输入端接地。运算放大器的输出端通过并联的电阻Rg1、二极管Dg1连接场效应管QM1的栅极，运算放大器的输出端通过并联的电阻Rg2、二极管Dg2连接场效应管QM2的栅极。其中运算放大器可为OP37。
场效应管QM1的源极通过电阻Rs1和限流电阻Rdz2后连接负电源电压VEE，场效应管QM2的源极通过电阻Rs2和限流电阻Rdz1后连接正电源电压VCC。
场效应管QM5和场效应管QM6的源极分别通过电阻Rs5和电阻Rs6连接电源VHp和电源VHn。稳压二极管Dz1的正极和稳压二极管Dz2的负极之间接电阻Rdz3。
场效应管QM1、场效应管QM4和场效应管QM6为NQMS管；场效应管QM2、场效应管QM3和场效应管QM5为PQMS管，其中场效应管QM1和场效应管QM2的特性尽可能相同，场效应管QM3和场效应管QM4的特性尽可能相同，场效应管QM5和场效应管QM6的特性尽可能相同，基准源Uz1、基准源Uz2为三端可调精密基准源，二者的性能相同，二极管Dg1、二极管Dg2的性能相同；上述电子元器件形成的所述交流电流源电路对称，互为对称的电子元器件性能相同。
负电源电压VEE、正电源电压VCC，为±15V电源，电源VHp和电源VHn为高压正、负电源，大小取决于实际需要和场效应管QM1～场效应管QM4的耐压，一般VHp|＝|VHn|＝VH。
由于三极管也具有输出恒流特性、高电平电流取样和高电平电压电流变换等特性，上述场效应管替换为三极管。
以下将进一步说明本发明的原理，由于本发明的电路为对称电路，令Rd1＝Rd2，Rs1＝Rs2，Rs3＝Rs4，Rs5＝Rs6，Rdz1＝Rdz2，Rdz3为限流电阻，Ri为反相端输入电阻。
由于场效应管QM1、场效应管QM2的栅极同电位，当Vin＝0，两栅极的电位等于0，因此场效应管QM1的源极必须有负偏压，由基准源Uz2提供，场效应管QM2的源极必须有正偏压，由基准源Uz1提供。
若基准源Uz1、Uz2的稳压值低一些，则Rs1、Rs2的取值就小一些，则负反馈就小一些，则放大倍数就能够变大。但是由于场效应管QM1、场效应管QM2的性能不可能完全相同，因此接入Rs1、Rs2形成的负反馈，使两个管子的静态电流和交直流放大倍数尽可能接近。
假定本发明在理想运放工作在线性状态，稳态时，根据虚断、虚短的概念，设电路图中上半部和下半部的元器件参数相同，稳压二极管Dz1、稳压二极管Dz2的稳压值为VDZ，id5为场效应管QM5的漏极电流，id6为场效应管QM6的漏极电流，gm5为场效应管QM5的跨导，gm6为场效应管QM6的跨导，则压控电流表达式推导如下：
Figure BDA0002879726140000041
Figure BDA0002879726140000042
由于vf为“虚地”，所以通过
Figure BDA0002879726140000043
的电流为零，则：
Figure BDA0002879726140000051
设gm5＝gm6＝gm，Rs5＝Rs6＝Rs(5、6)，Rs3＝Rs4＝Rs(3、4)，式中，Rs(5、6)表示为Rs5或Rs6，Rs(3、4)表示为Rs3或Rs4，上式可简化如下：
Figure BDA0002879726140000052
上式中iLoad为负载电流。
Figure BDA0002879726140000053
式中“-”号表示输出电流与输入电压的相位相反。
为了减小场效应管QM5、场效应管QM6的参数差别对于电路性能的影响，一般要求gm5RS5>>1、gm6RS6>>1，由于RS5、RS6的取值容易满足，则将RS5、RS6的值选取大一些，则可满足上述条件。由此可见，输出电流只和电阻有关与场效应管的参数无关，只要选择合适的电阻，就可实现精密压控电流源，并且本交流电流源电路，可输出高压、大电流取决于场效应管QM1至场效应管QM4的耐压以及电源VHp、电源VHn。
以下将以场效应管QM1为例，推导其交流放大倍数：由于场效应管QM1的源极电阻的下端在交流时相当于接地，则：
iRd1＝gm1vgs1＝gm1(vg1-RS1iRd1)＝gm1vg1-gm1RS1iRd1
Figure BDA0002879726140000061
Figure BDA0002879726140000062
由上公式可以看出：
Figure BDA0002879726140000063
当1/gm1远小于RS1时，
Figure BDA0002879726140000064
则交流放大倍数AVQM1与场效应管QM1的参数无关，因此当更换场效应管QM1时，其放大倍数基本不受影响，由于电路的对称性，场效应管QM2的放大倍数与场效应管QM1基本相等，则可得出：场效应管QM1、场效应管QM2的源极的电阻Rs1、Rs2取合适值，调整电阻Rs1、Rs2的取值，即可调节场效应管QM3、场效应管QM4的静态偏置电流，以保证其工作在放大状态。
本发明的有益效果在于：根据场效应管、三极管的输出恒流特性、高电平电流取样和高电平电压电流变换等，本发明采用场效应管和运算放大器设计的交流电流源电路具有恒流精度高、可实现大电流恒流、外围电路简单的等优点。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种交流电流源电路，包括输入电压信号vin、电源VHp、电源VHn，其特征在于：还包括运算放大器、场效应管QM1、场效应管QM2、场效应管QM3、场效应管QM4、基准源Uz1和基准源Uz2，
所述场效应管QM3和场效应管QM4的栅极分别通过电阻Rd1、电阻Rd2连接电源VHp和电源VHn；场效应管QM1的源极通过电阻Rs1连接基准源Uz2的阳极，场效应管QM2的源极通过电阻Rs2连接基准源Uz1的阴极，基准源Uz1的阳极与基准源Uz2的阴极连接并接地，基准源Uz1的参考端连接可调电阻Rpz1的活动端，基准源Uz2的参考端连接可调电阻Rpz2的活动端，可调电阻Rpz1的两固定端分别与基准源Uz1的阳极和阴极连接，可调电阻Rpz2的两固定端分别与基准源Uz2的阳极和阴极连接，所述场效应管QM1的漏极通过电阻Rd1连接电源VHp，场效应管QM2的漏极通过电阻Rd2连接电源VHn；
场效应管QM2的漏极连接场效应管QM4的栅极，场效应管QM1的漏极连接场效应管QM3的栅极；场效应管QM3和场效应管QM4的漏极的节点处接输出负载；
还包括场效应管QM5、场效应管QM6；
所述场效应管QM5和场效应管QM6的源极分别通过电阻Rs5和电阻Rs6连接电源VHp和电源VHn；
所述场效应管QM5和场效应管QM6的栅极分别通过稳压二极管Dz1、稳压二极管Dz2连接场效应管QM3和场效应管QM4的源极；
所述稳压二极管Dz1的正极和稳压二极管Dz2的负极之间接电阻Rdz3；
所述场效应管QM5的漏极和场效应管QM6的漏极均与运算放大器的反向输入端连接。
2.根据权利要求1所述的交流电流源电路，其特征在于：所述输入电压信号vin通过电阻Ri连接运算放大器的反向输入端，运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的输出端分别连接场效应管QM1和场效应管QM2的栅极。
3.根据权利要求2所述的交流电流源电路，其特征在于：所述运算放大器的输出端通过并联的电阻Rg1、二极管Dg1连接场效应管QM1的栅极，运算放大器的输出端通过并联的电阻Rg2、二极管Dg2连接场效应管QM2的栅极。
4.根据权利要求1所述的交流电流源电路，其特征在于：所述场效应管QM1的源极通过电阻Rs1和限流电阻Rdz2后连接负电源电压VEE，场效应管QM2的源极通过电阻Rs2和限流电阻Rdz1后连接正电源电压VCC。
5.根据权利要求1所述的交流电流源电路，其特征在于：所述场效应管QM3的源极通过取样电阻Rs3连接电源VHp，场效应管QM4的源极通过取样电阻Rs4连接电源VHn。
6.根据权利要求1所述的交流电流源电路，其特征在于：所述场效应管QM1、场效应管QM4和场效应管QM6为NQMS管；场效应管QM2、场效应管QM3和场效应管QM5为PQMS管。
7.根据权利要求1-6任一项所述的交流电流源电路，其特征在于：所有所述场效应管均替换为三极管。
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