简易1uA~100mA参考恒流源

longshort · 发表于 2012-3-11 10:08:09

本帖最后由 longshort 于 2012-3-12 14:29 编辑

　　为给自己建立一个合适的电流参考并兼做测试仪器，设计并制作了一个简易的1uA~100mA参考恒流源。

设计目的：

１．吸收全部的以往经验，以改进性能为最高需求。

２．电流工作范围为0.01mA、0.1mA、1mA、10mA、100mA。

３．在每一档范围内，以十进制进行×0.1步进调节。

４．电压动态范围仍保持3.2V~20V。

设计过程比较繁杂，略去。

原理如下：

带电位差计的恒流源基本结构.jpg

如图所示，直流电流源产生的恒定电流输出到被测器件上，产生的电压降通过四位半数字表的20V档读出，然后用200mV档在调节到预先设定的电位差计上读出平衡的电位差值，读出的值就是扩展的末两位数，这样四位半就变成了六位半。顺便说明下，这个方法是受到了xjw01坛友在测量电阻器温漂时采用的电桥方式所获得的启示。

但是这种方法需要电流源和电位差计的供电都是高度稳定的，所以专门为恒流源度身定做了高稳定度的电源。

恒流发生器在1mA档进行校准，这一档的温度系数是+3.4ppm/C。+8V和+28V的压差形成电位差计的基准电源，这个电源由+28V电源分压而成，温度系数为+1.72ppm/C。两者相抵，理论上的温度系数应该只有1.68ppm/C，但由于元件布局和使用环境的影响，实际的温度系数在10ppm/C内。

下面是恒流发生器的电原理图：

基本电路.jpg

图中从VR101及以下部分是恒流源的核心部分。

CK102接到面板上0.1步进的分压器，CK103接到面板上的电流范围控制开关，也是取样电阻部分。P101调节分压器的基准电压精确值。

-4V电源用于恒流发生器的负电源供电。

下面是电源稳压器的电原理图：

高稳定电源电路.jpg

电源结构一如既往地采用了以往的形式，LDO+推挽分压。推挽分压是用于从32V电源中产生-4V电源和零线。总共有三种电压产生：
　　+28V　　正电源
　　+2.28V　恒流源基准电源
　　-4V　　　负电源
其中+2.28V电压是由基准管D205和-4V的压差产生。

对所需要的输出稳定性，用电子表格软件进行了试算模拟，得到下述结果：

电源取样分压器.jpg

B栏和C栏是所使用器件的测试参数，A栏是测试器件的编号。在B栏和C栏中填入不同的器件参数，后续各栏会发生不同的输出结果，因此可以通过调整数值获得最合适的模拟结果。P栏中最后得到的TC值是为了和取样电阻群的TC值匹配。

与上述方法相似，取样电阻群的参数选择如下：

电流取样电阻.jpg

其中M栏是和+2.28V基准电源的温度系数相加后得到的TC值。

下面是倍率分压器的参数选择结果：

倍率分压器.jpg

眉间尺 · 发表于 2012-3-12 10:06:34

longshort 发表于 2012-3-12 09:56
不是什么大作，只能称为习作。头像又变了？

常换尝新嘛. 原来那个头像有烟斗, 不卫生.

longshort · 发表于 2012-3-12 09:55:05

bg5rgw 发表于 2012-3-11 13:20
高手啊，佩服。

随着时间的积累，知识会越积越多的。

longshort · 发表于 2012-3-12 14:05:02

qzlbwang 发表于 2012-3-12 10:12
高！高！实在是高！

这不让我难为情嘛！

我想通过这些设备的研制，建立一个能进一步提高稳定度和精度的硬件环境，在这些基础上搞一点更有意思的玩艺儿。
接下去，基本上就是要做一个校准用的标准电阻啦。

傻练一通 · 发表于 2012-3-12 10:00:09

不错不错,继续学习-

longshort · 发表于 2012-3-12 09:56:00

眉间尺发表于 2012-3-11 22:07
又有大作问世. 祝贺一下.

不是什么大作，只能称为习作。头像又变了？

longshort · 发表于 2012-3-12 09:54:07

puff 发表于 2012-3-11 13:20
LZ很厉害。俺要好好学习

谈不上，您也能的。

longshort · 发表于 2012-3-12 09:52:54

cxygcsy 发表于 2012-3-11 12:38
我也有25uA到10mA恒流源,共分九挡,两个开关控制.

您的作品也很不错，适合自己的就是好的！

眉间尺 · 发表于 2012-3-11 22:07:40

又有大作问世. 祝贺一下.

bg5rgw · 发表于 2012-3-11 13:20:26

高手啊，佩服。

puff · 发表于 2012-3-11 13:20:16

LZ很厉害。俺要好好学习

longshort · 发表于 2012-3-11 10:08:55

本帖最后由 longshort 于 2012-3-11 17:07 编辑

在进行了初调和二次调试后，增加了一块板用于电位差计细调和通／断指示改进，电路如下：

细调及通断指示附加电路.jpg

正负200mV的浮动电源采用了运放扩流的类似电路并对其改型，通过负载变化产生的电源电流变化对扩流晶体管进行控制，从而使输出稳定。扩流晶体管加了射极限流电阻，电源取样电阻则加了同样的晶体管作为扩流管的温度补偿。R403和R404是温度系数配对的，其它则没有更严格的要求。

实际上，扩流晶体管在这里起到了互补恒流源的作用，恒定电流在R403~R404上产生了电压降，由此而产生对称的浮动电压。这两个电阻的温度系数的大小没有关系，但一定要相等，这样浮动电压随温度的变化就比较一致，对输出到细调电位器上的影响就比较小。

细调电位器的调节范围比粗调展宽了100倍，但试用的结果还是稍嫌粗了些，调节到正负10uV比较吃力，所以准备再增加一个开关，通过在R403~R404上并联接入22欧姆电阻来使范围再展宽10倍。

下面是初始上电一小时内的曲线图：

第一小时内的变化.jpg

形状相当完美。下面是上电24小时内的变化：

24小时变化.jpg

下面是上电后一周变化：

一周变化.jpg

每天的变化在早上时为较低值，12小时后达到较高值，但在白天的显示比较稳定，因为室内人员走动少，空气团移动少，温度梯度变化小。在第五天时曾将1mAx1.0调到10mAx0.1，可能是震动的关系输出升高了1mV，因为多圈电位器当时都未锁定。

文件：

恒流发生器：

2011013-Ext-1.pdf (144.8 KB, 下载次数: 3046)

高稳定电源：

2011013-Ext-2.pdf (129.34 KB, 下载次数: 2052)

前面板电路：

2011013-Ext-3.pdf (115.68 KB, 下载次数: 1902)

面板设计图：

04_面板设计.pdf (36.04 KB, 下载次数: 1822)

longshort · 发表于 2012-3-11 10:09:25

本帖最后由 longshort 于 2012-3-11 11:21 编辑

电源安装：
20_电源安装.jpg

恒流发生器板布局：

刚完成时的老化：

二次调试时的改进，发生器与电源板的连接用镀银铜线和锣丝完成，这使地线电阻降低到0.9m欧：
65_发生器与电源板之间的连接.jpg

完成的细调板：

细调板安装位置：

填塞保温材料：

最终测试上电后的第三天，使用RX12-2型10K欧线绕电阻器，1mA档，倍率x1.0，3月9日的9时25分，2.23mV：
77_9点25分.jpg

10点07分，2.22mV：
78_10点07分.jpg

10点33分，2.22mV：
79_10点33分.jpg

11点49分，2.23mV：
80_11点49分.jpg

13点42分，2.22mV：
81_13点42分.jpg

16点0分，2.22mV：
82_16点0分.jpg

基本完工的前面板布局：
83_基本完工.jpg

longshort · 发表于 2012-3-11 11:39:49

本帖最后由 longshort 于 2012-3-12 09:51 编辑

计算达到的稳定性水平：

　　　　档位(mA) TC(ppm/°K )
　　　　--------------------------------------------
0.01    -0.602
0.1    -8.096
1       1.904
10    3.404
100 -74.596

由于档位电流的不同，很容易因输出场管的漏极电场不同对栅极的影响而产生对源极采样电压的变化，毕竟变化范围达到了100,000:1。运放OA101使用的LTC1052是自稳零的，增益达到了1E6以上，简单计算可知输出每变化1V，输入的变化是1uV，而1uV的变化在2V定标的采样电阻上产生的变化是百万分之零点五，位于万用表200mV档的10uV分辨率之下，因而可以忽略不计。考虑到这些因素，恒流源控制运放单级便可完成，无须多级变换，避免引入其它多余的误差。

实际测试可知，从1uA到1mA范围变化时，采样电压测不到可分辨的变化，10mA档有将近1个字的变化，100mA档有4个字的变化。这些变化是由零线电阻所产生，电阻的值在0.9m欧左右。在此之前，变化更大些，10mA档是5个字，100mA档是30个字，解决的办法是重载流线用1mm的镀银铜线在线路上用焊锡堆焊，将原本40m欧的电阻减小到0.9m欧。

由于已知误差来源，所以产生了特定的误差修正公式。公式如下：

62_第二次调试时的矫正公式.jpg

通过误差矫正公式，并使用FLUKE的20K欧金封电阻器对恒流源进行了临时性的校准。

另外，由于取样电阻群的器件温度系数均为单调变化，所以可以按给定的TC计算不同环境温度下测量到的电阻值。

恒流源的使用和校准，请参考下面的附件：

08_应用操作步骤设计.pdf (126.58 KB, 下载次数: 1653)

不确定度

为简便起见，这里的不确定度用ppm的绝对值表示。由于测量活动都在环境稳定的状态下进行，所以可将此时的变化区间作为计算的起点。

±20µV在VC980的200mV档上表示为±2个字；测量使用的10KΩ电阻器上的压降是大约10V，±2个字就相当于10V的±2ppm。

在对器件进行分拣时，±2ppm就是度量的不确定度；在对器件进行有温差的测量时，随着温差的展宽，不确定度会被压缩，压缩的程度是1/ΔT，ΔT是温差。因此温差测量时的器件不确定度，减小为1/ΔT，例如ΔT=20°，则不确定度为±0.1ppm。