CN207067832U - 一种双极性电流源 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种双极性电流源，包括比例积分运算模块、第一功率运算放大器、负载、检流模块、第一电阻、第二电阻和供电电路，其中，采用比例积分模块进行精确计算，再经过第一功率运算放大器进行功率放大，实现负载输出电流与输入电压成正比，输出电流模拟可控；而由于采用第一功率运算放大器实现电流的放大，使得输出电流较大，能够达到数安培；由于第一功率运算放大器能够实现正负输出，从而能够得到双极性电流源。

Description

一种双极性电流源

技术领域

本实用新型属于电流源技术领域，尤其涉及一种双极性电流源。

背景技术

在冷原子、超冷原子、核磁共振(NMR)、超导量子干涉装置(SQUID,superconducting quantum interference device)等实验中需要在线圈中通电流以产生磁场(磁光阱、磁阱)实现对原子进行操纵。

但根据不同的实验场景，在实际操作过程中，对线圈中通入的电流有不同的要求，如，在需要产生特定波形的磁场时，电流的大小需模拟可控；在需要在固定电感下产生所需磁场时，需要电流达到数安培；在某些实验中需要电流产生反向磁场，因此需要双极性电流源。

如何提供一种模拟可控，且电流能够达到数安培的双极性电流源成为亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种双极性电流源，以满足模拟可控、电流达到数安培且双极型的要求。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种双极性电流源，包括：

比例积分运算模块、第一功率运算放大器、负载、检流模块、第一电阻、第二电阻和供电电路；

所述比例积分运算模块包括电阻网络、第一运算放大器和积分电容；所述比例积分运算模块包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，所述第一运算放大器的输出端与所述积分电容的一端相连，作为所述比例积分运算模块的输出端；所述第一输入端用于输入预设电压，所述第二输入端用于输入参考电压，所述第三输入端用于接收反馈电信号；

所述第一功率运算放大器的正输入端与所述比例积分运算模块的输出端相连；

所述第一功率运算放大器的输出端与所述第一电阻的一端相连；

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端相连；

所述第一电阻和所述第二电阻的公共端与所述第一功率运算放大器的负输入端相连；

所述第二电阻的另一端接地；

所述检测模块包括第一接线端、第二接线端和电压输出端；

所述负载位于所述检流模块的第一接线端与所述第一功率运算放大器的输出端之间，所述检流模块的第二接线端接地，或所述负载位于所述检流模块的第二接线端与地之间，所述检流模块的第一接线端与所述第一功率运算放大器的输出端相连；

所述检流模块用于检测经过所述负载的电流，所述电压输出端与所述比例积分运算模块的第三输入端相连；

所述供电电路与所述第一运算放大器、所述第一功率运算放大器和所述检流模块分别相连。

经由上述的技术方案可知，本实用新型提供的双极性电流源，包括比例积分运算模块、第一功率运算放大器、负载、检流模块、第一电阻、第二电阻和供电电路，其中，采用比例积分模块进行精确计算，再经过第一功率运算放大器进行功率放大，实现负载输出电流与输入电压成正比，输出电流模拟可控；而由于采用第一功率运算放大器实现电流的放大，使得输出电流较大，能够达到数安培；由于第一功率运算放大器能够实现正负输出，从而能够得到双极性电流源。

进一步地，由于本实用新型的双极性电流源采用第一功率运算放大器，所述第一功率运算放大器相对于双极结型晶体管或MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，具有噪声小、共模抑制、电源抑制比较高的特点，本实用新型提供的双极性电流源还具有噪声低、共模抑制、电源抑制比较高的特点，低噪声设计能够使得双极性电流源的输出电流控制精度较高，且本实用新型提供的双极性电流源结构简单，无死区电压，能够实现冷原子、超冷原子、核磁共振(NMR)、超导量子干涉装置等实验中精密的磁场控制，如三维磁场补偿等。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种双极性电流源的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种双极性电流源的结构框图；

图3为本实用新型实施例提供的一种低压差线性稳压器结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种检流模块位于负载后端的双极性电流源的具体结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种检流模块位于负载前端的双极性电流源的具体结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种检流模块位于负载前端的双极性电流源的具体结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的另一种检流模块位于负载后端的双极性电流源的具体结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的再一种检流模块位于负载前端的双极性电流源的具体结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的级联功率运算放大器的双极性电流源的具体结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，根据不同的实验场景，在实际操作过程中，对线圈中通入的电流有不同的要求。

现有技术中通过运算放大器的搭建得到电流源，如Howland Current Pump型电流源等，但其驱动电流小，通常只有几百毫安；实现更大电流的电流源，采用MOSFET进行电流控制，但通常为单极性电流源，而且一般商用受控电流源通常均为单极性电流源，难以进行正负双极性调节；而已有的双极性可控电源，不仅其内部结构复杂，还在输入电压接近0时，有一段死区电压，该段输出电流为0；而数安培的模拟控制双极性电流源通常使用运算放大器驱动一对双极结型晶体管(BJT)组成的推拉级(push-pull stage)来实现，为实现模拟控制，还需要进行检流反馈。然而一般这种电流源的精度不是很高，共模抑制、电源抑制比一般。

基于此，本实用新型提供一种双极性电流源，包括：

比例积分运算模块、第一功率运算放大器、负载、检流模块、第一电阻、第二电阻和供电电路；

所述比例积分运算模块包括电阻网络、第一运算放大器和积分电容；所述比例积分运算模块包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，所述第一运算放大器的输出端与所述积分电容的一端相连，作为所述比例积分运算模块的输出端；所述第一输入端用于输入预设电压，所述第二输入端用于输入参考电压，所述第三输入端用于接收反馈电信号；

所述第一功率运算放大器的正输入端与所述比例积分运算模块的输出端相连；

所述第一功率运算放大器的输出端与所述第一电阻的一端相连；

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端相连；

所述第一电阻和所述第二电阻的公共端与所述第一功率运算放大器的负输入端相连；

所述第二电阻的另一端接地；

所述检测模块包括第一接线端、第二接线端和电压输出端；

所述负载位于所述检流模块的第一接线端与所述第一功率运算放大器的输出端之间，所述检流模块的第二接线端接地，或所述负载位于所述检流模块的第二接线端与地之间，所述检流模块的第一接线端与所述第一功率运算放大器的输出端相连；

所述检流模块用于检测经过所述负载的电流，所述电压输出端与所述比例积分运算模块的第三输入端相连；

所述供电电路与所述第一运算放大器、所述第一功率运算放大器和所述检流模块分别相连。

本实用新型提供的双极性电流源，包括比例积分运算模块、第一功率运算放大器、负载、检流模块、第一电阻、第二电阻和供电电路，其中，采用比例积分模块进行精确计算，再经过第一功率运算放大器进行功率放大，实现负载输出电流与输入电压成正比，输出电流模拟可控；而由于采用第一功率运算放大器实现电流的放大，使得输出电流较大，能够达到数安培；由于第一功率运算放大器能够实现正负输出，从而能够得到双极性电流源。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1，图1为本实用新型一实施例提供的一种双极性电流源的结构框图，如图1所示，所述双极性电流源包括：比例积分运算模块1、第一功率运算放大器2、负载3、检流模块4、第一电阻R1、第二电阻R2和供电电路(图中未示出)；比例积分运算模块1包括电阻网络11、第一运算放大器12和积分电容C1；比例积分运算模块1包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，第一运算放大器12的输出端与积分电容C1的一端相连，作为比例积分运算模块1的输出端；第一输入端用于输入预设电压，第二输入端用于输入参考电压Vref，第三输入端用于接收反馈电信号；第一功率运算放大器2的正输入端与比例积分运算模块1的输出端相连；第一功率运算放大器2的输出端与第一电阻R1的一端相连；第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端相连；第一电阻R1和第二电阻R2的公共端与第一功率运算放大器2的负输入端相连；第二电阻R2的另一端接地；检流模块4包括第一接线端、第二接线端和电压输出端；第一功率运算放大器2的输出端与负载3的一端相连；负载3的另一端与检流模块4的第一接线端相连；检流模块4的第二接线端接地GND，检流模块4的第一接线端和第二接线端通过经过负载3的电流，检流模块4用于检测经过负载3的电流；检流模块4的电压输出端与比例积分运算模块1的第三输入端相连；供电电路与第一运算放大器12、第一功率运算放大器2和检流模块4分别相连。

图1所示的双极性电流源中，检流模块4位于负载3的后端。需要说明的是，在本实用新型其他实施例中，检流模块4还可以位于负载3的前端，如图2所示，为本实用新型实施例提供的另一种双极性电流源的结构框图，此时负载3位于检流模块4的第二接线端与地GND之间，检流模块4的第一接线端与第一功率运算放大器2的输出端相连。

本实用新型实施例中比例积分模块1用于实现精确的PI(比例积分)运算，因此，本实用新型实施例中第一运算放大器12为精密运算放大器，精密运算放大器的比例部分通过电阻网络11实现，积分部分通过积分电容C1实现，本实施例中不限定积分电容C1的材质，为了使得积分电容C1的漏电流较小，进而使得PI运算偏移较小，本实施例中可选的，积分电容C1为聚丙烯电容。

本实用新型实施例中，第一运算放大器12与第一功率运算放大器2组成两级运算放大器结构，其中，第一运算放大器12输出驱动第一功率运算放大器2来产生数安培的双极性电流。第一功率运算放大器接成比例放大模式，其输出电压驱动线圈负载，具体连接方式请参见图1所示和图2所示。

本实用新型实施例中采用两级运算放大器结构，前一级精密运算放大器完成PI运算减小噪声，后一级功率运算放大器完成电流输出。大电流输出时功率耗散在功率运算放大器上，其温度会变化，使用前一级运算放大器进行PI运算有效的减小了温漂。两级运算放大器结构使电流驱动能力达到数安培时仍能保证极低的噪声。使用功率运算放大器相比一对BJT管组成的推拉级有更好的共模抑制、电源抑制等特性，并且功率运算放大器集成芯片自带过温保护，最大电流限制等功能，方便实用。

本实施例中第一运算放大器和第一功率运算放大器均需要供电电路供电进行工作，本实施例中不限定供电电路的具体结构，可选的，供电电路为极低噪声的LDO(lowdropout regulator，低压差线性稳压器)。低噪声的LDO能够减小电路的噪声以及电源抑制比等。

请参见图3，为本实用新型实施例提供的一种低噪声LDO的结构示意图，包括：LDO+模块51、LDO-模块52、第一直流电源53和第二直流电源54，它们的连接关系如图3所示，电源的输出电压(+V、-V)经过LDO稳压输出(V+、V-)，再供给其他芯片。需要说明的是，本实用新型并不限定低噪声LDO供电电路的具体形式，根据不同的LDO型号或功能，供电电路还可以是其他连接方式的结构，本实施例中对此不做限定。

需要说明的是，本实施例中第一功率运算放大器本身具有较低噪声，其供电电路可以为电源直接供电，无需经过稳压；而第一运算放大器的供电电路优选为低噪声LDO，电源输出电压经过稳压后供给第一运算放大器，以降低PI运算过程中的噪声，提高PI运算精度。

本实施例中不限定负载的具体形式，需要说明的是，由于本实用新型实施例中所选器件带宽较大，反馈响应速度快，且第一功率运算放大器使得本实用新型实施例中的电流源具有较高的电感驱动能力，响应速度快，因此，本实用新型实施例中负载可以是电感。当负载为电感时，电流源可以做快速电流开关使用，无振铃。在本实用新型的其他实施例中，负载还可以是电阻，本实施例中对此不做限定。

如图1和图2所示，本实用新型实施例中比例积分运算模块的输入端的电压信号可以由外部输入模拟信号，也可以由内部输入提供，所述内部输入是指输入电压由与本实用新型提供的双极性电流源制作在同一个电路制作板上的结构提供，可选的内部输入包括内部参考电压和低温漂滑动变阻器提供。为保证内部设置信号的精度，本实施例中优选的采用低噪声参考电压源提供参考电压，并通过低温漂滑动变阻器分压来产生低噪声设置内部输入电压信号。为适应输入电平为正负电平及正电平两种情况，本实施例中使用参考电压源给出偏置，采用跳线选择两种不同的输入模式之一作为输入。

需要说明的是，本实施例中比例积分模块还包括与参考电压Vref相连的一端，根据参考电压Vref的设定值不同，可以实现正负电平输入和正电平输入，所述正负电平输入，例如参考电压Vref＝0V，即比例积分模块的一端接地，内部输入或外部输入接电压范围为-4V—+4V，对应负载两端输出-10A—+10A电流。所述正电平输入，如参考电压Vref＝10V，内部输入或外部输入接电压范围为1V—9V，对应负载两端输出-10A—+10A电流。

本实施例中，内部输入模拟可控的电压信号至PI运算模块1后，经PI运算模块1输出至第一功率运算放大器2再输出至负载3，负载3两端输出电流。由于第一功率运算放大器2的输入电压信号可正可负，使得负载两端的输出电流可正可负，从而得到双极性电流源。

本实用新型提供的双极性电流源，包括比例积分运算模块、第一功率运算放大器、负载、检流模块、第一电阻、第二电阻和供电电路，其中，采用比例积分模块进行精确计算，再经过第一功率运算放大器进行功率放大，实现负载输出电流与输入电压成正比，输出电流模拟可控；而由于采用第一功率运算放大器实现电流的放大，使得输出电流较大，能够达到数安培；由于第一功率运算放大器能够实现正负输出，从而能够得到双极性电流源。

进一步地，由于本实用新型的双极性电流源采用第一功率运算放大器，所述第一功率运算放大器相对于双极结型晶体管或MOSFET，具有噪声小、共模抑制、电源抑制比较高的特点，本实用新型提供的双极性电流源还具有噪声低、共模抑制、电源抑制比较高的特点，低噪声设计能够使得双极性电流源的输出电流控制精度较高，且本实用新型提供的双极性电流源结构简单，无死区电压，能够实现冷原子实验中精密的磁场控制，如三维磁场补偿等原子对磁场敏感的实验。

如图4所示，为本实用新型实施例提供的一种双极性电流源，其中，与图1所示的双极性电流源不同的是，本实施例中提供的具体的电阻网络和检流模块。

其中，电阻网络包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7；其中，第三电阻R3的一端与第一运算放大器412的负输入端，以及第七电阻R7的一端相连，比例电容C1的另一端与第七电阻R7的另一端相连；第三电阻R3的另一端作为比例积分运算模块41的第三输入端，用于接收反馈电信号；第四电阻R4的一端与第一运算放大器412的负输入端相连；第四电阻R4的另一端作为比例积分运算模块41的第二输入端，用于输入参考电压Vref；第五电阻R5的一端与第一运算放大器412的正输入端相连；第五电阻R5的另一端作为比例积分运算模块41的第一输入端，用于输入预设电压；第六电阻R6的一端与第一运算放大器412的正输入端相连；第六电阻R6的另一端接地。

需要说明的是，本实施例中只是提供了一种电阻网络的连接和分布方式，但是本实施例中不限定所述比例积分运算模块中的电阻网络的具体结构以及各电阻阻值，只要能够实现精确的PI运算即可。

本实用新型实施例中检流模块用于将电流输出转换成电压输出，并进行电流检测，本实用新型实施例中不限定所述检流模块的具体结构，可选的，如图4所示。检流模块包括：放大器442和四线检流电阻441；四线检流电阻441包括第一接线端、第二接线端、第一输出端和第二输出端；其中，四线检流电阻441的第一接线端与负载43相连；第二接线端接地；第一输出端与放大器442的正输入端相连；第二输出端与放大器442的负输入端相连；放大器442的输出端作为检流模块的电压输出端与比例积分运算模块41的第三输入端相连；放大器442与供电电路相连。

需要说明的是，检流模块中使用的四线检流电阻为低阻值低温漂的四线检流电阻，低阻值低温漂的四线检流电阻将电流信号转换为电压信号，低阻值保证在大电流下使得功率为四线检流电阻可接受范围内。本实施例中放大器的输出端与比例积分运算模块的第三输入端相连。放大器用于将四线检流电阻转换后的电压信号放大并反馈给比例积分运算模块，以提高比例积分运算模块的运算精度。

本实施例中不限定放大器的具体结构，可选的，放大器可以为仪表放大器，也可以为检流放大器。需要说明的是，由于仪表放大器的噪声低，放大电压信号的同时，引入噪声较小，而且具有很高的共模抑制比，其输出信号用于反馈可以使PI运算时精度提高，因此，本实施例中可选的，所述放大器为仪表放大器。

如图4所示，负载43位于第一功率运算放大器42的输出端和检流模块的第一接线端之间，检流模块的第二接线端接地，即检流模块位于负载的后端。

在本实用新型的其他实施例中，负载还可以位于检流模块和地之间，也即检流模块位于负载的前端。

当所述放大器为检流放大器时，如图5所示，相对于图4所示双极性电流源，其他部分相同，本实施例中不做详细赘述。与图4所示双极性电流源不同的是，图5中，四线检流电阻441包括第一接线端、第二接线端、第一输出端和第二输出端；其中，第一接线端与第一功率运算放大器42的输出端相连；第二接线端与负载43的一端相连；负载43的另一端接地；第一输出端与检流放大器542的正输入端相连；第二输出端与检流放大器542的负输入端相连；检流放大器542的输出端作为电压输出端与比例积分运算模块41的第三输入端相连；检流放大器542与供电电路相连。

当仪表放大器放在负载前端时，如图6所示，四线检流电阻441包括第一接线端、第二接线端、第一输出端和第二输出端；其中，第一接线端与第一功率运算放大器42的输出端相连；第二接线端与负载43的一端相连；负载43的另一端接地；第一输出端与仪表放大器642的正输入端相连；第二输出端与仪表放大器642的负输入端相连；仪表放大器642的输出端作为电压输出端与比例积分运算模块41的第三输入端相连；仪表放大器642与供电电路相连。需要说明的是，因为仪表放大器共模电压范围小，双极性电流源还包括限压模块(D1和D2所示)；具体的，如图6所示，限压模块包括第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2；第一稳压二极管D1的负极与第一功率运算放大器42的正输入端相连；第一稳压二极管D1的正极与第二稳压二极管D2的正极相连；第二稳压二极管D2的负极接地。

另外，本实施例中还可以包括电流监视功能，如图4、图5和图6中所示，在放大器的输出端还包括一个运算放大器45，其输出端用于检测电流，并连接到相应的显示仪器上，对检测到的电流进行显示，以方便用户查看。同样的，运算放大器45也与供电电路相连。

本实用新型实施例中检流模块包括放大器和四线检流电阻，通过检流模块能够对通过负载的电流进行检测，并将电流转换为电压，反馈至比例积分运算模块的第三输入端，用于提高比例积分运算的精度。

本实用新型的其他实施例还提供一种双极性电流源，检流模块还可以用霍尔传感器和采样电阻代替，如图7所示，与上面实施例提供的双极性电流源不同的是，检流模块包括：霍尔传感器74和第八电阻R8，第八电阻R8为采样电阻；霍尔传感器74包括第一接线端、第二接线端和电压输出端；霍尔传感器74的第一接线端与负载73相连；第二接线端接地；霍尔传感器74的电压输出端与采样电阻R8的一端相连，并与比例积分运算模块71的第三输入端相连；采样电阻R8的另一端接地。

由于霍尔传感器通过检测流过霍尔传感器电流产生的磁通量进行检流，没有共模电压加在霍尔传感器上，因此，霍尔传感器还可以放在负载的前端使用，如图8所示，本实用新型实施例中霍尔传感器84包括第一接线端、第二接线端和电压输出端；第一功率运算放大器72的输出端与霍尔传感器84的第一接线端相连；霍尔传感器84的第二接线端与负载73的一端相连；负载73的另一端接地；霍尔传感器84的电压输出端与采样电阻R8的一端相连；采样电阻R8的另一端接地；霍尔传感器84的电压输出端与比例积分运算模块71的第三输入端相连；供电电路与第一运算放大器、第一功率运算放大器72和霍尔传感器84分别相连。

需要说明的是，霍尔传感器的连接方式可以有多种，如，有的霍尔传感器检测电流是将电流接到其两端上；有的霍尔传感器中间有一个孔，导线直接穿过该孔，本实施例中对霍尔传感器的具体连接方式不做限定。

本实施例中，霍尔传感器放在负载的前端能够实现通道间的并联。

下面通过实验详细说明本实用新型实施例中的应用，请参见图4所示的双极性电流源，本实施例中，R1，R2的取值为2kΩ，R3，R6的取值为1kΩ，R4取值为4kΩ，R5取值为1.5kΩ，R7的调节范围为500k欧姆，C1的取值为22nF。四线检流电阻取值为20mΩ，仪表放大器AD8429增益设为10，增益设置电阻为665Ω，需要说明的是，若检流模块采用霍尔传感器与采样电阻R8构成，则采样电阻R8的典型值在10Ω左右。

本实用新型实施例中PI运算模块中的第一运算放大器采用AD8597型号的运算放大器进行PI运算，第一功率运算放大器使用OPA549型号的功率运算放大器。检流电阻使用CSM3637Z型号，检流放大器使用仪表放大器AD8429。也可以使用高精度霍尔传感器进行检流。内部参考电压及偏置电压+10V使用REF102提供，-10V由与REF102配合使用的INA105来提供。供电电路使用低噪声LDO。

通过上述电阻设置，实现输入-4V～+4V电压对应-10A～+10A电流。改变350uH的电感上1A电流只需要不到25us时间，因此，本实用新型实施例提供的双极性电流源可以当快速电流开关使用，无振铃。3Hz～10kHz的RMS电流噪声小于4uA。

本实用新型针对冷原子实验磁场控制的应用背景，提出了一个数安培高精度低噪声模拟控制双极性电流源，所述双极性电流源输出电压和电流均可正可负的四象限电流源，且驱动能力强，输出电流峰值能达到10A甚至更高。采用了低噪声的设计，精度高，并且有很强的电感驱动能力，响应速度快，可以当快速电流开关使用，无振铃。该设计结构简单，无死区电压，并且有较好的电源抑制能力。该实用新型能实现冷原子实验中精密的磁场控制，如三维磁场补偿等。

需要说明的是，使用功率运算放大器能使输出峰值电流达到数安培(使用的OPA549能到10A)，通过功率运算放大器的级联，输出电流可以达到更高。如图9所示，为本实用新型另一实施例提供的双极性电流源的结构示意图，与之前的双极性电流源不同的是，本实施例中还包括第二功率运算放大器922、第九电阻R9和第十电阻R10；其中，第九电阻R9串联在第一功率运算放大器921的输出端和负载93之间；第一功率运算放大器921的输出端与第二功率运算放大器922的正输入端相连；第二功率运算放大器922的负输入端与第二功率放大器922的输出端相连，并与第十电阻R10的一端相连；第十电阻R10的另一端与负载93相连；第二功率运算放大器922与供电电路相连。

其他部分的描述，可以参见上面实施例中的描述，本实施例中对此不做赘述。在本实用新型其他实施例中，当检流模块位于负载前端时，第九电阻串联在第一功率运算放大器的输出端和检流模块之间，具体可参见上面实施例，本实施例中对此不做详细描述。

本实施例中通过级联一个功率运算放大器，实现了输出电流的增加，在本实用新型的其他实施例中，还可以根据实际输出电流的大小要求，级联更多的功率运算放大器，本实施例中对此不做限定。

综上所述，本实用新型提供的双极性电流源具有以下有益效果：

a)使用两级运算放大器结构，前一级精密运算放大器完成PI运算减小噪声，后一级功率运算放大器完成电流输出。大电流输出时功率耗散在功率运算放大器上，其温度会变化，使用前一级运算放大器运算有效的减小了温漂。两级结构使电流驱动能力达到数安培时仍能保证极低的噪声；

b)使用功率运算放大器实现了电流的双极性输出，输出电压和电流均可正可负的四象限，相比一对BJT管组成的推拉级有更好的共模抑制，电源抑制等特性，并且功率运算放大器集成芯片自带过温保护，最大电流限制等功能，方便实用。功率运算放大器能使输出峰值电流达到数安培(使用的OPA549能到10A)，通过功率运算放大器的级联，输出电流可以达到更高；

c)所选器件带宽大，反馈响应速度快，使用功率运算放大器使该电流源有很强的电感驱动能力，响应速度快，可以当快速电流开关使用，无振铃；

d)使用仪表放大器检流放大减小了检流端的噪声，提高了PI运算的精度；

e)具有内部及外部两种输入方式，方便使用；

f)通过跳线设置，兼容正负电平及正电平输入两种模式；

g)通过功率运算放大器OPA549的电流限制电阻的更换可以限制电路最大电流，保护电路及负载不因过流而烧坏；

h)通过仪表放大器的增益设置电阻，方便的改换增益，改变输入电压与所产生电流的比例关系；

i)通过滑动变阻器设置PI参数方便调节，可以适用于不同电感的负载；

j)电路成本低，易于批量生成；

k)能够实现冷原子实验中磁场高精密控制，可按所需波形产生低噪声磁场，且磁场大小能变化很快，磁场方向也能改变。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种双极性电流源，其特征在于，包括：

比例积分运算模块、第一功率运算放大器、负载、检流模块、第一电阻、第二电阻和供电电路；

所述比例积分运算模块包括电阻网络、第一运算放大器和积分电容；所述比例积分运算模块包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，所述第一运算放大器的输出端与所述积分电容的一端相连，作为所述比例积分运算模块的输出端；所述第一输入端用于输入预设电压，所述第二输入端用于输入参考电压，所述第三输入端用于接收反馈电信号；

所述第一功率运算放大器的正输入端与所述比例积分运算模块的输出端相连；

所述第一功率运算放大器的输出端与所述第一电阻的一端相连；

所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端相连；

所述第一电阻和所述第二电阻的公共端与所述第一功率运算放大器的负输入端相连；

所述第二电阻的另一端接地；

所述检流模块包括第一接线端、第二接线端和电压输出端；

所述负载位于所述检流模块的第一接线端与所述第一功率运算放大器的输出端之间，所述检流模块的第二接线端接地，或所述负载位于所述检流模块的第二接线端与地之间，所述检流模块的第一接线端与所述第一功率运算放大器的输出端相连；

所述检流模块用于检测经过所述负载的电流，所述电压输出端与所述比例积分运算模块的第三输入端相连；

所述供电电路与所述第一运算放大器、所述第一功率运算放大器和所述检流模块分别相连。

2.根据权利要求1所述的双极性电流源，其特征在于，所述电阻网络包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

其中，所述第三电阻的一端与所述第一运算放大器的负输入端，以及所述第七电阻的一端相连，所述比例电容的另一端与所述第七电阻的另一端相连；

所述第三电阻的另一端作为所述比例积分运算模块的所述第三输入端，用于接收反馈电信号；

所述第四电阻的一端与所述第一运算放大器的负输入端相连；

所述第四电阻的另一端作为所述比例积分运算模块的所述第二输入端，用于输入参考电压；

所述第五电阻的一端与所述第一运算放大器的正输入端相连；

所述第五电阻的另一端作为所述比例积分运算模块的所述第一输入端，用于输入预设电压；

所述第六电阻的一端与所述第一运算放大器的正输入端相连；

所述第六电阻的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的双极性电流源，其特征在于，

所述第一功率运算放大器的输出端与所述负载的一端相连；

所述负载的另一端与所述第一接线端相连；

所述第二接线端接地；

所述检流模块的输出端与所述比例积分运算模块的第三输入端。

4.根据权利要求3所述的双极性电流源，其特征在于，所述检流模块包括放大器和四线检流电阻；所述放大器为检流放大器或仪表放大器；

所述四线检流电阻包括所述第一接线端、所述第二接线端、第一输出端和第二输出端；

其中，所述第一接线端与所述负载相连；

所述第二接线端接地；

所述第一输出端与所述放大器的正输入端相连；

所述第二输出端与所述放大器的负输入端相连；

所述放大器的输出端作为所述电压输出端与所述比例积分运算模块的第三输入端相连；

所述放大器与所述供电电路相连。

5.根据权利要求3所述的双极性电流源，其特征在于，所述检流模块包括霍尔传感器和采样电阻；

所述霍尔传感器包括所述第一接线端、所述第二接线端和所述电压输出端；

所述第一接线端与所述负载相连；

所述第二接线端接地；

所述电压输出端与所述采样电阻的一端相连，并与所述比例积分运算模块的第三输入端相连；

所述采样电阻的另一端接地；

所述霍尔传感器与所述供电电路相连。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的双极性电流源，其特征在于，还包括第二功率运算放大器、第九电阻和第十电阻；

其中，所述第九电阻串联在所述第一功率运算放大器的输出端和所述负载之间；

所述第一功率运算放大器的输出端与所述第二功率运算放大器的正输入端相连；

所述第二功率运算放大器的负输入端与所述第二功率放大器的输出端相连，并与所述第十电阻的一端相连；

所述第十电阻的另一端与所述负载和所述第九电阻的公共端相连；

所述第二功率运算放大器与所述供电电路相连。

7.根据权利要求2所述的双极性电流源，其特征在于，

所述第一功率运算放大器的输出端与所述第一接线端相连；

所述第二接线端与所述负载的一端相连；

所述负载的另一端接地；

所述电压输出端与所述比例积分运算模块的第三输入端。

8.根据权利要求7所述的双极性电流源，其特征在于，所述检流模块包括霍尔传感器和采样电阻；

所述霍尔传感器包括所述第一接线端、所述第二接线端和所述电压输出端；

所述第一功率运算放大器的输出端与所述第一接线端相连；

所述第二接线端与所述负载的一端相连；

所述负载的另一端接地；

所述电压输出端与所述采样电阻的一端相连，并与所述比例积分运算模块的第三输入端相连；

所述采样电阻的另一端接地；

所述霍尔传感器与所述供电电路相连。

9.根据权利要求7所述的双极性电流源，其特征在于，所述检流模块包括检流放大器和四线检流电阻；

所述四线检流电阻包括所述第一接线端、所述第二接线端、第一输出端和第二输出端；

其中，所述第一接线端与所述第一功率运算放大器的输出端相连；

所述第二接线端与所述负载的一端相连；

所述负载的另一端接地；

所述第一输出端与所述检流放大器的正输入端相连；

所述第二输出端与所述检流放大器的负输入端相连；

所述检流放大器的输出端作为所述电压输出端与所述比例积分运算模块的第三输入端相连；

所述检流放大器与所述供电电路相连。

10.根据权利要求7所述的双极性电流源，其特征在于，所述检流模块包括仪表放大器和四线检流电阻；所述双极性电流源还包括限压模块；

所述四线检流电阻包括所述第一接线端、所述第二接线端、第一输出端和第二输出端；

其中，所述第一接线端与所述第一功率运算放大器的输出端相连；

所述第二接线端与所述负载的一端相连；

所述负载的另一端接地；

所述第一输出端与所述仪表放大器的正输入端相连；

所述第二输出端与所述仪表放大器的负输入端相连；

所述仪表放大器的输出端作为所述电压输出端与所述比例积分运算模块的第三输入端相连；

所述仪表放大器与所述供电电路相连；

所述限压模块包括第一稳压二极管和第二稳压二极管；

所述第一稳压二极管的负极与所述第一功率运算放大器的正输入端相连；

所述第一稳压二极管的正极与所述第二稳压二极管的正极相连；

所述第二稳压二极管的负极接地。

11.根据权利要求7-10任意一项所述的双极性电流源，其特征在于，还包括第二功率运算放大器、第九电阻和第十电阻；

其中，所述第九电阻串联在所述第一功率运算放大器的输出端和所述检流模块之间；

所述第一功率运算放大器的输出端与所述第二功率运算放大器的正输入端相连；

所述第二功率运算放大器的负输入端与所述第二功率放大器的输出端相连，并与所述第十电阻的一端相连；

所述第十电阻的另一端与所述检流模块相连；

所述第二功率运算放大器与所述供电电路相连。