CN206892706U - 一种电流比较器用电压控制电流源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于电力电子电路设计领域，具体涉及一种电流比较器用电压控制电流源。为满足电流比较器的使用需求，进一步提升电压控制电流源输出的精度，减小电流比较器测试的误差，本实用新型提供了一种新型的高精密的电压控制电流源电路。本实用新型包括：运算放大器A1、A2、A3、A4、A5和A6，输入信号源高电位端VIN+、输入信号源低电位端VIN‑、第一接地电阻R0、第二接地电阻R0’、增益可调电位器RG、分放大电路电阻R1、R2、R3、R4、R5、和R6、电压电流转换电路输入电阻R7、第三接地电阻R0”、第一反馈电阻R8、第二反馈电阻R9、转换电阻Rs、等效负载Z、直流偏置修正电路恒流源IREF、偏置调整电位器R10、电阻R11和电阻R12以及它们之间的连接关系。

Description

一种电流比较器用电压控制电流源
技术领域
本实用新型属于电力电子电路设计领域，具体涉及一种电流比较器用电压控制电流源。
背景技术
电压控制电流源(即：VCCS)是将电压输入信号转化成与其存在固定倍率关系的电流输出信号，属于恒流源的一种，也称为电压电流转换器。
电压控制电流源广泛应用于工业自动化控制等领域。其既可以作为电源向系统内提供电能，又可以作为信号传输转换设备进行信号的传递。在大功率半导体器件的特性测试中，VCCS可发挥激励源的作用；在真空元器件启动过程中，VCCS为灯丝提供一个恒定电流用以避免灯丝由于启动冲击电流而烧毁；在电流表校验过程中，VCCS可作为基准源进行使用；在电力测量领域中，VCCS主要应用于比较式电流测量系统中进行信号的转换与传递，提供了与被测电流进行比较的基准量。
Howland电流泵电路是一种适用于接地负载的电压-电流转换电路，基本电路如图1所示。V1为输入电压信号，R1和R3为输入电阻，两个反馈电阻R2，R4分别完成对输入信号的正负反馈；当R4/R3＝R2/R1时，电路的输出电流I0与负载电阻RL无关，此为Howland电流泵的工作条件。
Howland电流泵原理电路对电阻精度要求高，实际输出电流精度较差，不适合作为基准量使用。总之，现有技术中电压控制电流源不能满足电流比较器的使用需求，输出的精度低，且电流比较器测试的误差大。
实用新型内容
为满足电流比较器的使用需求，进一步提升电压控制电流源输出的精度，减小电流比较器测试的误差，本实用新型提供了一种新型的高精度的电压控制电流源电路。
本实用新型为解决上述问题采取的技术方案是：一种电流比较器用电压控制电流源，包括：输入信号源高电位端VIN+、输入信号源低电位端VIN-、由V+和V-双电源供电的第一运算放大器A1、由V+和V-双电源供电的第二运算放大器A2、由V+和V-双电源供电的第三运算放大器A3、由V+和V-双电源供电的第四运算放大器A4、由V+和V-双电源供电的第五运算放大器A5、由V+和V-双电源供电的第六运算放大器A6、第一接地电阻R0、第二接地电阻R0’、增益可调电位器RG、第一差分放大电路电阻R1、第二差分放大电路电阻R2、第三差分放大电路电阻R3、第四差分放大电路电阻R4、第五差分放大电路电阻R5、第六差分放大电路电阻R6、电压电流转换电路输入电阻R7、第三接地电阻R0”、第一反馈电阻R8、第二反馈电阻R9、转换电阻Rs、等效负载Z、直流偏置修正电路恒流源IREF、偏置调整电位器R10、电阻R11和电阻R12；
所述第一运算放大器A1的同相输入端直接连接输入信号源高电位端VIN+，通过第一接地电阻R0接地，反相输入端通过第一差分放大电路电阻R1连接输出端；
所述第二运算放大器A2的同相输入端直接连接输入信号源低电位端VIN-，通过第二接地电阻R0’接地，反相输入端通过第二差分放大电路电阻R2连接输出端；
第一运算放大器A1反相输入端通过增益可调电位器RG连接第二运算放大器A2的反相输入端；
所述第三运算放大器A3的同相输入端通过第四差分放大电路电阻R4连接第二运算放大器A2的输出端，反相输入端通过第三差分放大电路电阻R3连接第一运算放大器A1的输出端，通过第五差分放大电路电阻R5连接输出端；
所述第四运算放大器A4的同相输入端通过第三接地电阻R0”接地，通过第二反馈电阻R9连接输出端，反相输入端通过电压电流转换电路输入电阻R7连接第三运算放大器A3的输出端；
所述第五运算放大器A5的同相输入端通过转换电阻Rs连接第四运算放大器A4的输出端，通过负载Z接地，反相输入端直接连接输出端，输出端通过第一反馈电阻R8连接第四运算放大器A4的反相输入端；
所述第六运算放大器A6的同相输入端连接偏置调整电位器R10，反相输入端直接连接输出端，输出端通过第六差分放大电路电阻R6连接第三运算放大器A3的同相输入端；
所述电阻R11和电阻R12串联接入直流偏置修正电路恒流源IREF的输入和输出端，电阻R11和电阻R12的交点接地，所述偏置调整电位器R10并联在电阻R11和电阻R12两端。
进一步地，所述第一差分放大电路电阻R1和第二差分放大电路电阻R2阻值相等，所述第三差分放大电路电阻R3和第四差分放大电路电阻R4阻值相等，所述第五差分放大电路电阻R5和第六差分放大电路电阻R6阻值相等。
进一步地，所述第一反馈电阻R8与第二反馈电阻R9阻值相同；所述第三接地电阻R0”与电压电流转换电路输入电阻R7阻值相同；所述电压电流转换电路输入电阻R7的阻值：第一反馈电阻R8阻值＝第三接地电阻R0”的阻值：第二反馈电阻R9阻值。
进一步地，所述基准电流源IREF为的输出电流为100μA。
进一步地，所述电阻R11和电阻R12的阻值相同。
有益效果：
第一，本实用新型在放大电路中引入偏置调整电路，消除直流偏置对转换电流的影响，提高输出电流的精度；
第二，本实用新型的第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和第三运算放大器A3连接成差分放大电路，可起到缓冲输入电压的作用，提高带负载能力，并能起到抑制共模干扰的作用，通过对增益可调电位器RG的调整，可改变输入电压的放大倍率；
第三，本实用新型通过Howland电流泵原理，由第四运算放大器A4按照一定的比例关系，将电压信号转化为电流信号，由第五运算放大器A5构成的电压跟随器，将负载Z上的电压经第一反馈电阻R8反馈到第四运算放大器A4，消除阻抗匹配问题及改善第四运算放大器A4主电流源电路的电流特性。
附图说明
图1Howland电流泵的基本电路图；
图2本实用新型的电路图。
具体实施方式
结合图2说明本实施方式，本实施方式一种电流比较器用电压控制电流源的电路图如图2所示，包括：输入信号源高电位端VIN+、输入信号源低电位端VIN-、由V+和V-双电源供电的第一运算放大器A1、由V+和V-双电源供电的第二运算放大器A2、由V+和V-双电源供电的第三运算放大器A3、由V+和V-双电源供电的第四运算放大器A4、由V+和V-双电源供电的第五运算放大器A5、由V+和V-双电源供电的第六运算放大器A6、第一接地电阻R0、第二接地电阻R0’、增益可调电位器RG、第一差分放大电路电阻R1、第二差分放大电路电阻R2、第三差分放大电路电阻R3、第四差分放大电路电阻R4、第五差分放大电路电阻R5、第六差分放大电路电阻R6、电压电流转换电路输入电阻R7、第三接地电阻R0”、第一反馈电阻R8、第二反馈电阻R9、转换电阻Rs、等效负载Z、直流偏置修正电路恒流源IREF、偏置调整电位器R10、电阻R11和电阻R12；
所述第一运算放大器A1的同相输入端直接连接输入信号源高电位端VIN+，通过第一接地电阻R0接地，反相输入端通过第一差分放大电路电阻R1连接输出端；
所述第二运算放大器A2的同相输入端直接连接输入信号源低电位端VIN-，通过第二接地电阻R0’接地，反相输入端通过第二差分放大电路电阻R2连接输出端；
第一运算放大器A1反相输入端通过增益可调电位器RG连接第二运算放大器A2的反相输入端；
所述第三运算放大器A3的同相输入端通过第四差分放大电路电阻R4连接第二运算放大器A2的输出端，反相输入端通过第三差分放大电路电阻R3连接第一运算放大器A1的输出端，通过第五差分放大电路电阻R5连接输出端；
所述第四运算放大器A4的同相输入端通过第三接地电阻R0”接地，通过第二反馈电阻R9连接输出端，反相输入端通过电压电流转换电路输入电阻R7连接第三运算放大器A3的输出端；
所述第五运算放大器A5的同相输入端通过转换电阻Rs连接第四运算放大器A4的输出端，通过负载Z接地，反相输入端直接连接输出端，输出端通过第一反馈电阻R8连接第四运算放大器A4的反相输入端；
所述第六运算放大器A6的同相输入端连接偏置调整电位器R10，反相输入端直接连接输出端，输出端通过第六差分放大电路电阻R6连接第三运算放大器A3的同相输入端；
所述电阻R11和电阻R12串联接入直流偏置修正电路恒流源IREF的输入和输出端，电阻R11和电阻R12的交点接地，所述偏置调整电位器R10并联在电阻R11和电阻R12两端。
进一步地，所述第一差分放大电路电阻R1和第二差分放大电路电阻R2阻值相等，所述第三差分放大电路电阻R3和第四差分放大电路电阻R4阻值相等，所述第五差分放大电路电阻R5和第六差分放大电路电阻R6阻值相等。
进一步地，所述第一反馈电阻R8与第二反馈电阻R9阻值相同；所述第三接地电阻R0”与电压电流转换电路输入电阻R7阻值相同；所述电压电流转换电路输入电阻R7的阻值：第一反馈电阻R8阻值＝第三接地电阻R0”的阻值：第二反馈电阻R9阻值。
进一步地，所述基准电流源IREF为的输出电流为100μA。
进一步地，所述电阻R11和电阻R12的阻值相同。
本实用新型的电流比较器用电压控制电流源，由第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和第三运算放大器A3连接组成差分放大电路，通过改变电阻R3和R5以及R4和R6的大小关系来放大输入信号，通过改变增益可调电位器RG阻值与R1和R2阻值的大小关系实现输入信号VIN的放大倍数的调整，并且通过差分放大电路来消除共模干扰；由恒流源IREF、偏置调整电位器R10、电阻R11和电阻R12构成直流偏置调整电路，第六运算放大器A6设置为电压跟随器电路，使得直流电压信号经过第六差分放大电路电阻R6反馈到运算放大器A3的同相输入端，从而实现对输入信号VIN直流偏置的调整；将第四运算放大器A4连接成基本的Howland电流泵结构，实现电压电流的转换，修正后的信号VIN经输入电压电流转换电路输入电阻R7作用在第四运算放大器A4的反相输入端，第五运算放大器A5构成电压跟随器将负载Z上的电压经第一反馈电阻R8反馈回第四运算放大器A4的反相输入端，地电位经第三接地电阻R0”作用在A4的同相输入端，第四运算放大器A4的输出电压通过第二反馈电阻R9反馈回同相输入端，同时输出电压经转换电阻Rs和负载Z接地，使Howland电流泵构成一个完整的回路。
在上述电路中信号VIN为峰值0～10V的交流输入电压，分别对各个电阻选择合适的阻值，第一接地电阻R0和第二接地电阻R0’为47kΩ；电阻R3＝R4＝R5＝R6＝40kΩ；电阻R1＝R2＝25kΩ；电阻R11＝R12＝100Ω；电阻R7＝R8＝R9＝R0”＝25kΩ；电位器RG＝∞。根据Howland电流泵电路的基本原理可得出电压电流之间的转化关系：I0＝UIN/Rs。在上述高精密电压控制电流源电路中，Rs的精度和直接影响了输出电流的精密度，故Rs、R0”、R7、R8、R9都选择高精密电阻。在Rs＝25kΩ，输入电压信号为10V时，输出电流为400微安。

Claims (5)

1.一种电流比较器用电压控制电流源，其特征在于，包括：输入信号源高电位端VIN+、输入信号源低电位端VIN-、由V+和V-双电源供电的第一运算放大器A1、由V+和V-双电源供电的第二运算放大器A2、由V+和V-双电源供电的第三运算放大器A3、由V+和V-双电源供电的第四运算放大器A4、由V+和V-双电源供电的第五运算放大器A5、由V+和V-双电源供电的第六运算放大器A6、第一接地电阻R0、第二接地电阻R0’、增益可调电位器RG、第一差分放大电路电阻R1、第二差分放大电路电阻R2、第三差分放大电路电阻R3、第四差分放大电路电阻R4、第五差分放大电路电阻R5、第六差分放大电路电阻R6、电压电流转换电路输入电阻R7、第三接地电阻R0”、第一反馈电阻R8、第二反馈电阻R9、转换电阻Rs、等效负载Z、直流偏置修正电路恒流源IREF、偏置调整电位器R10、电阻R11和电阻R12；
所述第一运算放大器A1的同相输入端直接连接输入信号源高电位端VIN+，通过第一接地电阻R0接地，反相输入端通过第一差分放大电路电阻R1连接输出端；
所述第二运算放大器A2的同相输入端直接连接输入信号源低电位端VIN-，通过第二接地电阻R0’接地，反相输入端通过第二差分放大电路电阻R2连接输出端；
所述第一运算放大器A1反相输入端通过增益可调电位器RG连接第二运算放大器A2的反相输入端；
所述第三运算放大器A3的同相输入端通过第四差分放大电路电阻R4连接第二运算放大器A2的输出端，反相输入端通过第三差分放大电路电阻R3连接第一运算放大器A1的输出端，通过第五差分放大电路电阻R5连接输出端；
所述第四运算放大器A4的同相输入端通过第三接地电阻R0”接地，通过第二反馈电阻R9连接输出端，反相输入端通过电压电流转换电路输入电阻R7连接第三运算放大器A3的输出端；
所述第五运算放大器A5的同相输入端通过转换电阻Rs连接第四运算放大器A4的输出端，通过负载Z接地，反相输入端直接连接输出端，输出端通过第一反馈电阻R8连接第四运算放大器A4的反相输入端；
所述第六运算放大器A6的同相输入端连接偏置调整电位器R10，反相输入端直接连接输出端，输出端通过第六差分放大电路电阻R6连接第三运算放大器A3的同相输入端；
所述电阻R11和电阻R12串联接入直流偏置修正电路恒流源IREF的输入和输出端，电阻R11和电阻R12的交点接地，所述偏置调整电位器R10并联在电阻R11和电阻R12两端。
2.根据权利要求1所述的一种电流比较器用电压控制电流源，其特征在于，所述第一差分放大电路电阻R1和第二差分放大电路电阻R2阻值相等，所述第三差分放大电路电阻R3和第四差分放大电路电阻R4阻值相等，所述第五差分放大电路电阻R5和第六差分放大电路电阻R6阻值相等。
3.根据权利要求1所述的一种电流比较器用电压控制电流源，其特征在于，所述第一反馈电阻R8与第二反馈电阻R9阻值相同；所述第三接地电阻R0”与电压电流转换电路输入电阻R7阻值相同；所述电压电流转换电路输入电阻R7的阻值：第一反馈电阻R8阻值＝第三接地电阻R0”的阻值：第二反馈电阻R9阻值。
4.根据权利要求1所述的一种电流比较器用电压控制电流源，其特征在于，所述直流偏置修正电路恒流源IREF的输出电流为100μA。
5.根据权利要求1所述的一种电流比较器用电压控制电流源，其特征在于，所述电阻R11和电阻R12的阻值相同。
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