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DIY 精密测量用1mA、10mA、100mA恒流源

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex

10mA恒流源的作用和要求

10mA主要用来测试100欧电阻,每个电阻压降1V,功率10mW,可以多个串联,切换对比。
由于10mA不大不小,采样电压1V也很适中,因此适合制作标准电流,那样对长稳要求就更高了。
10mA恒流源的基本电路

基本参考1mA的电路,但基准若直接使用,耗散达到7V*10mA=70mW,比较大了。除非采用较大功率的700欧电阻以利于散热,否则就要把基准分压了。
分压可以考虑:
2:1得到3.5V,采样电阻阻值350欧、功率35mW
5:1分压得到1.4V,采样电阻组织140欧、功率14mW
7:1分压得到1.0V,采样电阻组织100欧、功率10mW
这最后一个所用电阻阻值好,但7:1分压也同样重要,这个分压系数不太好找。一种办法是统计分压,即采用7个2k电阻串联。

电源电压的选择,最低10V即可,只要能提供给7V的基准可靠供电。至于输出电压,有5.5V就可以让5个100欧串联使用(每个1V),而剩余的4.5V可以让MOS管吃掉1V,另外3.5V就是分压后的基准最大值。

10mA恒流电路,比较容易出结果,值得折腾几个不同侧面要求的:
1、快速预热版
快速预热,主要用在移动电流源或电池供电的恒流源上。
快速预热甚至无需预热,很快就可以工作,后续电流变化很小。要达到这个目的,关键元件必须低耗电,比如采样电阻100欧/10mW,基准和运放用低耗电的,电源电压要低。

2、低噪声版
低噪声版,主要用在对比测试,而不是绝对测试上。
要噪声低,必须基准是低噪声的,比如MAX6350。最好的基准是LT1000或者263/LTFLU;
最好不分压,直接用5V或7V。尽管采样电阻功耗大一些(50mW和70mW),但给运放的压力小;
最后,运放要选低噪声的。

3、低温漂、高稳定版
也就是高精度版,主要用做电流基准
要想高精度,首先要有低噪声做保证。
基准必须低温漂、高稳定,首选LT1000或者263/LTFLU;
分压电阻也必须低温漂、高稳定,需要金封金属箔
采样电阻最关键,也需要用金封金属箔
如果不怕采样电阻功率大,可以不分压,直接用原始的5V或7V基准,采样电阻做好散热。10mA恒流源的制作与测试
低压方案,电源电压3.3V-4.2V,基准2.5V,无分压,采样电阻250欧,功耗25mW。
高压方案1,电源电压9.9V-12.9V,基准7V,2:1分压,采样电阻350欧,功耗35mW。
高压方案2,电源电压9.9V-12.9V,基准7V,无分压,采样电阻700欧,功耗70mW。

100mA恒流源的作用与要求

100mA主要用来测试对比1欧电阻,每个电阻压降0.1V,功率10mW,可以多个串联,切换对比。
1欧是电阻的单位,而1欧实物电也是最稳定、最好的。但是,1欧很小,难于用万用表进行精确测试,而采用DCC或专用电阻桥的方式也超出了一般业余爱好这的能力。
而采用外部100mA恒流源的方式,可以超过大多数万用表的10mA的测试电流,用0.1V档或者0.2V档多次测试对比电压,有望把1欧电阻对比到1ppm之内。


类似,对100mA恒流源的要求是:
1、短稳好,即噪声低,不大于5ppm
2、温漂不大于5ppm/K
3、年稳不做要求
4、输出电压最高1.2V,这样可以串联最多10个1欧电阻进行测试。
5、可以接电感负载、电容负载
100mA恒流源的基本电路


左边是电源,充电插座通过防反二极管给三节串联锂电充电,运行时电池供电。
开关J1平时断开,测试时闭合给整个电路供电,R5给LED指示发光电流。
I1是恒流二极管,给7V基准提供恒定电流,通过R2和R3分压后作为采样对比基准,由精密运放跟踪采样电阻上的电压,驱动MOS管,使得与基准保持一致。
二极管D2是让运放的共模电压降低下来,否则需要轨轨运放。
绿色三根线靠在一起,是一根双屏蔽线,红色虚框为一个放在电流源外部的引线加粗部分(发热),这两根线形成电流输出的接口。
调整管采用PMOS功率管(PMOS增强型),耗散要有1W附近。
运放除了采用LT1012外还有别的选择,参见下面详细描述。
C和R4,是一个缓冲器,用来防止接入感性负载而振荡(有些1欧电阻是有感绕制)。C1要选择漏电小、介质吸收小的薄膜电容,具体容值要试验确定,R4也一样。
要注意一点,采样电阻一定要用4线的接法。电路图上靠右边的两条线是电流线,左边的两条是电压线。

输出电流公式。
输出电流 = R1电流 ± Ib ± Ig ± Irc
其中Ib为运放的偏置电流,Ig为MOS管漏电流,Irc为1uF电容漏电流。由于输出电流有100mA,因此只要这三个电流均不大于10nA,就可以排除其影响。

R1电流=R1电压/R1
R1就是采样电阻,其变动直接影响输出。R1可以选择2欧到10欧之间。R1太小则压降小,Vos的影响就大(见下),运放的噪音影响也大。R1如果太大,则功耗增大,温漂大、预热时间长、引起的热电动势变大、对流加大引起短稳变差。因此,选择R1的时候,除了温漂要小以外,体积要大并加上适当的散热片,以便减少内外温差。如图7R耗散70mW,不加散热片的场合内部温升有3度,因此若温漂为1ppm/K,对开机变化的贡献也会有3ppm了。

R1电压=R2与R3分压电压 ± Vos
Vos就是运放的失调电压,由于分压电压至少200mV,因此Vos的变动要不大于0.2uV就可以让影响<1ppm,因此选择了0.2uV/K和0.3uV/Mo的LT1012。
另外,运放的噪音也直接叠加到这个电压上,LT1012的为0.5uVpp,不算非常小。
如果供电电压7V以上,则可以选择如下运放:
1、0.3uVpp的LT1001、LT1010或者AD707,耗电从0.4mA增大到1.6mA。
2、噪声更低的运放也有,尽管Ib偏大,但用在100mA的这个电路里问题不大,例如
3、还有OPA227,噪声0.09uVpp,10nA的最大Ib也就影响0.1ppm,但耗电3.7mA,Vcm和输出也大。
4、另外有0.22uVpp噪声的OPA277,耗电0.8mA不算大。

R2与R3的分压 = U2电压 × R3 / (R2 + R3)
可以看出,U2的电压直接影响输出,而R2和R3的影响也一样是直接的。为了保证短稳,R2和R2要用优质塑封金属箔。

U2的电压
由于电流源的输出要共地,因此此处要采用负压方式,而最常见的负压产生就是利用shunt模式(2端使用)。
为了保证噪声等指标,必须用Zener而不能用带隙,Zener都是7V的为多,所以供电电压就降不下来。

100mA恒流源的另外一个电路,是低压供电的,采用带隙做基准,即1.25V基准,6:1分压后成为0.2V,采样电阻用2欧(耗散20mW)。运放仍然用LT1012(可以2.5V下使用,很难找到类似的运放了)。驱动采用JFET+BJT复合管,这样算下来,如果输出1.1V的话(适合10个1欧同时测试),最低可以用3.0V电压供电,好处是发热小,可以用1节锂电。其中D2是给运放提供适当的共模电压,否则因为R1的压降小,必须用轨输入的运放了。



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