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直流微电流源

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex

六、国产WD-1说明
经过拆解探查,WD-1几乎是完全仿制Keithley 261的,只不过绝大多数元件国产化了。
电路图可以直接参照K261的,但也有一些变动。

1、电源部分
标称输出11V,这样在KVD的拨盘在5.00的位置时,分压输出就是5.00V。当然,这电压要根据档位电阻的不同而有微调。由于KVD的输入电阻是1.1k,因此电流是恒定的10mA,功率110mW。
整流用了全桥,滤波电容470uF50V,第一级稳压7815+2DW235,输出大约22V。
第二级稳压用了LM317K,上调节电阻为2k固定,下调节“电阻”用2DW235串联另一个电压,这个电压是档位2.2k可调与200欧分压得到的。经过测试,这2.2k可调的实际阻值在370欧到600欧之间,不算合理。


2、KVD
采用KVD的好处,可以多级,而且输入电阻不随分压而改变。
第一级采用11个100欧,开关在0到10时,其输出1V到11V(输入11V,下同)。
第二级采用11个20欧,很自然,因为KVD每级递减1/5。开关在0到9时输出0.1V到1.0V(第一级=0)。
第三级由于并联了50欧,因此仍然采用11个20欧。开关在0到10时输出为0.00到0.10V(前面开关=0)。
输出电阻尽管是变化的,但不大。最大输出电阻660欧,这对于后面最小100k的电阻,误差0.5%
由于后面配套的档位电阻很一般,KVD电阻选0.01%的浪费了。K261选的0.1%其实就足够了。
KVD的输出见下图的黑色屏蔽线F,先接到后面的BNC插口,然后通过屏蔽线G,接到屏蔽盒的侧面H位置引入。

3、电源微调/校准部分
一共有8个档,每个档输出电压不同。靠开关切换,让8个可调电阻分别与电源调整部分的200欧分压,达到调节的目的。调节范围,是8V起调(标称11V)。微调是2.2k的,实际调节位置在380欧附近,电压和功率都很大,容易出问题,因此电路设计的不合理。这些微调实际也是各档的校准用的。

蓝色A线从稳压管的正极也就是200欧接地电阻的上端引出,经过B的换档,选择C线中的1根,从而串联可调电阻D中的某个后,通过蓝线E引出,到达电源输出的正极,达到微调目的。


4、输出串联电阻
-5次方档电阻是100k,用了线绕RX70,0.01%
-6次方档电阻是1M,用了大红袍,1%
-7次方档电阻是10M,用了模压金属膜,0.1%
-8次方档电阻是100M,用了磁封电阻,2%
-9次方档电阻是1G,也用了磁封电阻
-10次方档电阻是10G,用了真空电阻
-11次方档电阻是100G,用了真空电阻
-12次方档电阻是1T,用了真空电阻

可以看到,电阻的选测参差不齐,主要是三个高阻值的真空电阻性能不好(阻值偏差大、老化和温度系数大),形成整体性能瓶颈。


5、等电位屏蔽
在几个高阻上有电位环:

这些电阻上端接电源(高电位),下端接输出(零电位),而这些屏蔽环就是可以让输出周围强制的保持在零电位,防止表面爬电用的,是等电位屏蔽的一个特例。


6、其它
有人问,没见用什么特富龙材料,开关也是比较普通的,不怕漏电吗?
实际上,这种无源的微电流源设计的很好,不怕漏电。因为高电压部分是低阻不怕漏电,而输出部分是地电位,也对漏电不敏感。


总之,这个微电流源有两点设计不足:一个是高阻三个电阻质量较差,直接影响最主要功能档的性能。另一个是电压微调设计的不好,2.2k的微调只用在15%的位置,而且一直加上10V的电压,耗散达到250mW,影响性能和可靠性。

另外,设计多余的地方也有两点:一个是KVD采用0.01%的精密线绕电阻,实际上0.1%就足够了。另一个是几百欧的电源电阻采用二次屏蔽,没有必要。
七、二端小电流发生器


二端恒流器件,顾名思义,就是理论无论加多少电压,其电流恒定的两端器件。当然,器件不会理想,总会有一定的、不是无穷大的动态电阻。另外,恒流源也一律具有最小工作电压和最高工作电压,低于最低工作电压就不恒流了,高于最高工作电压恐怕会击穿损坏。


1、恒流二极管
恒流二极管属于两端结型场效应恒流器件,比如2DH1,恒流1mA,工作电压3V到30V左右,动态内阻>1M。




2、结型场管加一个电阻
很常见的一种取得小电流恒流源的方法。注意选择时要Idss大于要恒流的电流,最好大几倍,而且Vgs要选得小一些,才能降低起始电压。看曲线也要选择动态内阻大的。




根据所选的管子的不同,耐压可以从0.5V起,到几十V很常见,更高的也有,例如上面的2SK373耐压为100V,耗尽型的MOSFET LND150,耐压可达500V,适合做高压恒流源
根据管子的不同,可以选择不同的电阻,使得恒流电流从很小(比如1nA)一直到10mA。
由于在源极串联了一个电阻,有进一步稳定电流的作用。假如因电压增大造成电流增大,则该电阻上的电压也增大,这样Vgs也增大,就抑制了电流的增大。
当然,这样的恒流有一定的温度系数,可以选择适当的管子和适当的工作电流,可以取得零温度系数点,一般为Vgs-0.63V,比如管子的Vgs=2V,那么取1.37V就是零温度系数点。

3、三极管加几个电阻
常见于IC内部设计中,由于比较复杂,现实中很少有人用分立元件产生。


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