CN115480612A - 一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，包括：电压基准电路、运算放大器、MOSFET、采样电阻、低导通电阻模拟开关电路和负载；所述电压基准电路与运算放大器的正向输入端相连接，该运算放大器的反向输入端与采样电阻相连接，所述运算放大器的输出端与MOSFET的栅极相连接，所述负载接入低导通电阻模拟开关电路，所述低导通电阻模拟开关电路与MOSFET的漏极相连接，该MOSFET的源极与采样电阻相连接。本发明能够实现双极性电流源电路功能。
Description
技术领域
本发明属于电流源电路组件技术领域，涉及超高稳定性双极性电流源电路组件，尤其是一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路。
背景技术
海洋重力场信息在海洋资源开发、地球科学研究、战场环境建设和作战保障等各个领域都具有非常重要的应用价值。随着海军发展战略转型的逐步推进，海洋战场环境建设对大范围、高精度的重力信息保障需求日益紧迫。海洋重力测量包括海底重力测量、海面重力测量、海洋航空重力测量和卫星海洋重力测量。在众多探测海洋重力场信息的技术手段中，船载海洋重力测量是目前获取高精度、高频海洋重力场信息的最有效方式，尤其适用于宽阔海域的深水区测量。重力测量仪器是海洋重力测量技术发展的重要组成部分，典型的仪器是海洋重力仪，目前国外应用广泛的海洋重力仪分辨率可达0.01mGal，一般海况下测量精度优于1mGal。
重力敏感器是重力仪的核心敏感元件，重力敏感器通过高稳定伺服控制板进行重力信息的测量采集，1mGal的测量精度指标分配到伺服控制板通常要求伺服板的精度为0.5mGal，即0.5ppm，因此对重力敏感器伺服控制板的稳定性要求极高。伺服控制板的核心是超高稳定性双极性电流源电路，它处在重力仪内部，需要在宽温范围内达到稳定性要求，目前现有技术手段难以满足。
经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，能够大幅提升高精度重力仪的测量精度，同时可提升重力仪的测试性、维修性和可靠性。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，包括：电压基准电路、运算放大器、MOSFET、采样电阻、低导通电阻模拟开关电路和负载；
所述电压基准电路与运算放大器的正向输入端相连接，该电压基准电路用于提供稳定的基准电压；该运算放大器的反向输入端与采样电阻相连接，该采样电阻用于电流源在负反馈运算放大电路中产生稳定的同相端电压；所述运算放大器的输出端与MOSFET的栅极相连接，该运算放大器用于负反馈运算放大电路提高电流源稳定性；该MOSFET用于产生电流源电流；所述负载接入低导通电阻模拟开关电路，该负载用于重力仪高精度敏感器；所述低导通电阻模拟开关电路与MOSFET的漏极相连接，该MOSFET的源极与采样电阻相连接，所述低导通电阻模拟开关电路用于改变电流极性；极性控制信号通过低导通电阻模拟开关电路改变流过负载的电流极性，进而实现双极性电流源电路功能。
所述电压基准电路采用超精密深埋齐纳型电压基准芯片，用于提供稳定的直流基准电压，并将电压基准芯片加温至预设的温度点。
所述低导通电阻模拟开关电路包括：4个模拟开关，其中模拟开关1、模拟开关2为常开状态，模拟开关3、模拟开关4为常闭状态，每个模拟开关均有一个控制端，控制端并联在一起，通过改变控制端的电平来同步切换4个模拟开关的开合状态，电源正极接到模拟开关1、模拟开关3的公共端，模拟开关2、模拟开关4的公共端分别接到模拟开关3、模拟开关1的输出端，负载的一端接到模拟开关1的输出端，负载的另一端接到模拟开关3的输出端，模拟开关2、模拟开关4的输出端并联接到MOSFET的漏极。
在所述电源电路外围增设恒温屏蔽盒，该恒温屏蔽盒采用双层结构，内层布设TEC元件，用于加热或致冷；外层采用电磁屏蔽材料，用于隔离外部电磁信号进入恒温屏蔽盒内部；该外层上安装有电连接器，用于与外部电路相连接。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明的一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，包括高精度电压基准产生电路，采用深埋齐纳技术的电压基准芯片提供稳定的直流基准电压，将电压基准芯片加温至适宜的温度点(如80℃)，以确保能够适应55℃的工作环境温度。本发明能够满足10℃～55℃环境温度下月稳定性小于0.5ppm的要求，大幅提升重力仪的核心指标，即能够大幅提升高精度重力仪的测量精度，同时可提升重力仪的测试性、维修性和可靠性。
2、本发明的一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，还包括：恒温屏蔽壳体。壳体采用双层结构，外层采用紫铜材料，起到屏蔽外界电磁干扰的作用；内层为TEC元件，起到恒温作用。在壳体内部适当位置布置一个热敏电阻(PTC、NTC或金属铂电阻)，采用PID温控电路使壳体达到预设温度。本发明采用高精度电压基准电路技术，能够有效提升重力仪的月稳定性。采用恒温屏蔽技术，可以大幅提升重力仪在宽温范围内的测量精度，拓宽重力仪的应用场合，提升重力测绘作业的实用性和可靠性。
3、本发明提供一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，可以实现宽温环境下的超高稳定性超低漂移的双极性电流源电路，可用于无人平台重力仪的高精度重力敏感器的伺服控制系统、高精度长航时海洋重力仪的重力敏感器的闭环测量系统。本发明适用于一切需要超高稳定性超低漂移的电流源电路的场合，不仅局限于提升重力仪的性能，还可广泛用于需要超高稳定性的单极性、双极性恒流源电路，也可用于对温度适应性、电磁兼容适应性要求较高的场合。
附图说明
图1是本发明的双极性电流源电路功能示意图；
图2是本发明的屏蔽盒结构示意图；
图3是本发明的电路板功能分布示意图。
具体实施方式
以下对本发明实施例作进一步详述：
目前，任何一种电流源电路的实现方式均无法满足10℃～55℃环境温度下月稳定性小于0.5ppm的指标要求，本发明另辟蹊径，采用电路组件的形式进行设计发明，具体的技术方案阐述如下：
一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，如图1所示，包括：电压基准电路、低失调精密运算放大器、小功率N沟道增强型MOSFET、精密采样电阻、低导通电阻模拟开关电路和负载；
所述电压基准电路与低失调精密运算放大器的正向输入端相连接，该电压基准电路用于提供稳定的基准电压；该低失调精密运算放大器的反向输入端与精密采样电阻相连接，该精密采样电阻用于电流源在负反馈运算放大电路中产生稳定的同相端电压；所述低失调精密运算放大器的输出端与小功率N沟道增强型MOSFET的栅极相连接，该低失调精密运算放大器用于负反馈运算放大电路提高电流源稳定性；该小功率N沟道增强型MOSFET用于产生电流源电流；所述负载接入低导通电阻模拟开关电路，该负载用于重力仪高精度敏感器；所述低导通电阻模拟开关电路与小功率N沟道增强型MOSFET的漏极相连接，该小功率N沟道增强型MOSFET的源极与采样电阻相连接，所述低导通电阻模拟开关电路用于改变电流极性；极性控制信号通过低导通电阻模拟开关电路改变流过负载的电流极性，进而实现双极性电流源电路功能。
所述电压基准电路采用超精密深埋齐纳型电压基准芯片，用于提供稳定的直流基准电压，并将电压基准芯片加温至预设的温度点。
所述低导通电阻模拟开关电路包括：4个模拟开关，其中模拟开关1、模拟开关2为常开状态，模拟开关3、模拟开关4为常闭状态，每个模拟开关均有一个控制端，控制端并联在一起，通过改变控制端的电平来同步切换4个模拟开关的开合状态，电源正极接到模拟开关1、模拟开关3的公共端，模拟开关2、模拟开关4的公共端分别接到模拟开关3、模拟开关1的输出端，负载的一端接到模拟开关1的输出端，负载的另一端接到模拟开关3的输出端，模拟开关2、模拟开关4的输出端并联接到MOSFET的漏极。
在所述电源电路外围增设恒温屏蔽盒，如图2所示，该恒温屏蔽盒采用双层结构，内层布设TEC元件，用于加热或致冷；外层采用电磁屏蔽材料，用于隔离外部电磁信号进入恒温屏蔽盒内部；该外层上安装有电连接器，用于与外部电路相连接。
下面对本发明作进一步说明：
本发明由电压基准电路与低失调精密运算放大器、小功率N沟道增强型MOSFET、和精密采样电阻构成电流源电路，根据欧姆定律可得到的电流大小近似表示为：
式中，VR表示电流源基准电压，RS表示电流源采样电阻，i表示需要产生的电流源的恒定电流。
其中，电压基准电路采用超精密深埋齐纳型电压基准芯片，芯片提供稳定的基准电压VR，利用芯片内部三极管Vbe的大小随温度升高而降低的温度特性，搭建芯片的精密温控电路，精密温控电路为基准芯片提供稳定的温度环境，确保基准电压不受外界温度影响。芯片的控制温度可利用基准电压VR由精密电阻分压得到
将VR和VTC分别输入到零漂移运算放大器的反向输入端和正向输入端，由运放的输出端驱动一个三极管，输出电流流入芯片基底的加热丝，从而达到芯片的温度控制，降低电压基准芯片的温度漂移。
极性控制信号与低导通电阻模拟开关电路可改变流过负载的电流极性，实现双极性电流源电路功能，功能示意如图1所示。
电流源的实现需要利用一个低失调精密运算放大器、一个N沟道增强性MOSFET和一个电流源采样电阻。电流从电源正极流过负载进入MOSFET的漏极，经采样电阻后流入电源负极，采样电阻应选取高稳定性低温度系数的金属箔电阻，采样电阻的电压和电压基准分别输入到低失调精密运算放大器的反向输入端和正向输入端，输出电压接到MOSFET的栅极，形成电流源的闭环控制，提高电流源环路增益，从而提高电流源的输出精度和稳定性。
为了实现电流源在流过负载的不同极性，将负载接入4个模拟开关，其中模拟开关1、模拟开关2为常开状态，模拟开关3、模拟开关4为常闭状态，每个模拟开关均有一个控制端，控制端并联在一起，通过改变控制端的电平来同步切换4个模拟开关的开合状态，电源正极接到模拟开关1、模拟开关3模拟开关的公共端，模拟开关2、模拟开关4模拟开关的公共端分别接到模拟开关3、模拟开关1的输出端，负载的一端接到模拟开关1模拟开关的输出端，负载的另一端接到模拟开关3模拟开关的输出端，模拟开关2、模拟开关4模拟开关的输出端并联接到MOSFET的漏极，具体情况如图1所示。当控制端接收到高电平时，模拟开关1、模拟开关3模拟开关闭合，模拟开关2、模拟开关4模拟开关断开，电流从负载的上端流向下端(按图1所示)，相反，当控制端接收到低电平时，模拟开关2、模拟开关4模拟开关闭合，模拟开关1、模拟开关3模拟开关断开，电流从负载的下端流向上端，从而实现电流的极性切换。
采样电阻的温度系数、基准电压的温度系数、运算放大器的温度漂移都会直接影响电流源的稳定性，根据指标要求，电流源需在10℃～55℃环境温度下确保月稳定性低于0.5ppm，因此在电流源电路外围增加恒温屏蔽盒，恒温屏蔽盒结构示意图如图2所示，恒温屏蔽盒内部上表面和下表面布置TEC元件，TEC元件与外层壳体采用导热胶粘接，TEC控制电路在恒温屏蔽盒内部，电路板功能分布示意图如图3所示，电路板包括三个部分，分别是电源模块、双极性电流源电路模块和TEC控制电路模块，电连接器中包含两路输入电源和一路输出电流，一路电源为双极性电流源电路提供±5V供电，另一路电源为TEC控制电路提供5V供电，进入到电源模块进行稳压滤波后分别提供给双极性电流源电路模块和TEC控制电路模块。双极性电流源电路模块产生稳定的电流后，通过电连接器输出到外部负载。TEC控制电路利用PID控制技术对TEC半导体进行控制，PTC作为TEC控制电路中的一部分，实时敏感被控点的温度。TEC控制电路确保恒温屏蔽盒内温度稳定在40℃，温控元件采用TEC半导体致冷器，它的特点是体积小，重量轻，能够通过改变电流方向来实现加热和致冷两种工作模式，这就可以使电路板工作在一个相对较低的温度环境内(如25℃、40℃)，提高电路元器件的可靠性和稳定性。控温点的布置应尽可能靠近电压基准芯片和采样电阻，选用线性度好的PTC作为测温元件，与精密电阻共同构成惠斯通电桥，提高温控分辨率，控制方式采用模拟控制，输出采用PWM方式，提高温控效率。
恒温屏蔽盒外层采用电磁屏蔽材料，屏蔽效能不低于60dB，屏蔽盒对外电连接器也应选用满足EMC要求的电连接器，电连接器与恒温屏蔽壳外层间采用带导电衬垫的法兰安装，确保外部电磁干扰不会影响电流源的精度和稳定性。从而实现超高稳定性电流源能够满足很高的温度适应性和抗电磁干扰能力。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，其特征在于：包括：电压基准电路、运算放大器、MOSFET、采样电阻、低导通电阻模拟开关电路和负载；
所述电压基准电路与运算放大器的正向输入端相连接，该电压基准电路用于提供稳定的基准电压；该运算放大器的反向输入端与采样电阻相连接，该采样电阻用于电流源在负反馈运算放大电路中产生稳定的同相端电压；所述运算放大器的输出端与MOSFET的栅极相连接，该运算放大器用于负反馈运算放大电路提高电流源稳定性；该MOSFET用于产生电流源电流；所述负载接入低导通电阻模拟开关电路，该负载用于重力仪高精度敏感器；所述低导通电阻模拟开关电路与MOSFET的漏极相连接，该MOSFET的源极与采样电阻相连接，所述低导通电阻模拟开关电路用于改变电流极性；极性控制信号通过低导通电阻模拟开关电路改变流过负载的电流极性，进而实现双极性电流源电路功能。
2.根据权利要求1所述的一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，其特征在于：所述电压基准电路采用超精密深埋齐纳型电压基准芯片，用于提供稳定的直流基准电压，并将电压基准芯片加温至预设的温度点。
3.根据权利要求1所述的一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，其特征在于：所述低导通电阻模拟开关电路包括：4个模拟开关，其中，第一模拟开关、第二模拟开关为常开状态，第三模拟开关、第四模拟开关为常闭状态，每个模拟开关均有一个控制端，4个控制端并联在一起，通过改变控制端的电平来同步切换4个模拟开关的开合状态，电源正极接到第一模拟开关、第三模拟开关的公共端，第二模拟开关、第四模拟开关的公共端分别接到第三模拟开关、第一模拟开关的输出端，负载的一端接到第一模拟开关的输出端，负载的另一端接到第三模拟开关的输出端，第二模拟开关、第四模拟开关的输出端并联接到MOSFET的漏极。
4.根据权利要求1所述的一种适应宽温环境的超高稳定性双极性电流源电路，其特征在于：在所述电源电路外围增设恒温屏蔽盒，该恒温屏蔽盒采用双层结构，内层布设TEC元件，用于加热或致冷；外层采用电磁屏蔽材料，用于隔离外部电磁信号进入恒温屏蔽盒内部；该外层上安装有电连接器，用于与外部电路相连接。
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