恒流源電路設(shè)計(jì)方案

摘 要：為了滿足半導(dǎo)體激光器(LD)對(duì)電流源高穩(wěn)定性、低噪聲的性能要求，文中基于負(fù)反饋原理設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)低噪聲恒流源電路。該電路使用帶隙基準(zhǔn)電壓源 AD780BN 提供低噪聲、低溫漂的基準(zhǔn)電壓，配合多路復(fù)用器 ADG1606的選擇功能，由低噪聲運(yùn)放 LT1677 構(gòu)成的負(fù)反饋恒流驅(qū)動(dòng)電路通過(guò) JFET 將電壓轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)過(guò) JFET 和 BJT 構(gòu)成的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出穩(wěn)定的電流，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的多電流輸出。實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果表明：該恒流源電路在 3.8~5.5 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，輸出電流穩(wěn)定度在 0.007%~0.029% 之間;在電流調(diào)控模塊控制下，輸出電流從 20~350 mA 按 30 mA 的步進(jìn)可調(diào);最大輸出電流噪聲為 2.8 μA，具有低噪聲的性能。

0 引 言

恒流源是穩(wěn)定電源中的一個(gè)特殊支系, 當(dāng)輸入電壓、負(fù)載、工作溫度等在某個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí), 其輸出電流基本保持不變。恒流源被廣泛應(yīng)用于計(jì)量測(cè)試、科學(xué)研究、通信技術(shù) 、LED照明以及半導(dǎo)體激光器(LaserDiode，LD)等領(lǐng)域[1]。其中，LD是一種依靠電流注入作為激勵(lì)工作的器件，注入電流的噪聲會(huì)影響其電子?光子的轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致輸出光功率發(fā)生變化。因此，LD對(duì)驅(qū)動(dòng)恒流源有高穩(wěn)定性、低噪聲的要求[2?3]。恒流源作為電子電路和模擬電路中使用較多的電路單元之一，人們一直沒(méi)有停下研究腳步。目前，負(fù)反饋結(jié)構(gòu)是提高恒流源穩(wěn)定性的一個(gè)有效途徑[4?6]。除此以外，選擇低溫漂的基準(zhǔn)電壓源和采樣電阻等也是提高恒流源性能的有效手段[7]。為滿足LD對(duì)恒流源高穩(wěn)定性、低噪聲的性能需求，本文設(shè)計(jì)一款基于負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的恒流源電路，在Multisim軟件中經(jīng)仿真優(yōu)化完成了電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與核心元器件的選型，確定了元器件的參數(shù)值，并設(shè)計(jì)加工了PCB電路，給出了實(shí)際電路的測(cè)試結(jié)果，具體設(shè)計(jì)與測(cè)試分析如下。

1 恒流源電路設(shè)計(jì)

圖1為本文設(shè)計(jì)的恒流源電路結(jié)構(gòu)框圖。圖中：線性穩(wěn)壓模塊將外部的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電源電壓，為其他3個(gè)模塊提供電源;基準(zhǔn)電壓模塊將獲得的穩(wěn)定電壓進(jìn)一步分壓，輸出多路低噪聲基準(zhǔn)電壓提供給電流調(diào)控模塊;電流調(diào)控模塊通過(guò)對(duì)輸入恒流驅(qū)動(dòng)模塊基準(zhǔn)電壓的調(diào)整，達(dá)到控制輸出電流大小的目的;恒流驅(qū)動(dòng)模塊利用負(fù)反饋原理，使作用在采樣電阻上的基準(zhǔn)電壓保持不變，提高輸出電流的穩(wěn)定度。

1.1 線性穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的恒流源電路需要兩個(gè)不同的電壓值:5V和4V。其中, 5V電壓給線性穩(wěn)壓模塊和恒流驅(qū)動(dòng)模塊供電;4V電壓為帶隙基準(zhǔn)電壓源、多路復(fù)用器、運(yùn)放等供電，整個(gè)電路對(duì) 4V電壓的需求多且穩(wěn)定性要求高。為此, 本設(shè)計(jì)采用低壓差線性穩(wěn)壓器(Low DropoutRegulator，LDO)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)該模塊的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的LDO芯片型號(hào)較多，功能也不盡相同。在綜合考慮性能、價(jià)格后，本文選擇了美國(guó)微芯公司設(shè)計(jì)的TC1015線性穩(wěn)壓器，其內(nèi)部集成有超溫和過(guò)電流保護(hù)電路，且輸出電壓噪聲極低，適用于穩(wěn)壓電路。查閱該芯片的產(chǎn)品手冊(cè)可知，TC1015共有10種固定的輸出電壓可選，本文選擇其輸出電壓為4V，得到的線性穩(wěn)壓電路如圖2所示。

為降低電路對(duì)PCB布局的敏感性，在VIN與GND間接入容值為1μF的旁路電容C1，在 VOUT與GND間接入同樣容值的旁路電容C2?？紤]為后續(xù)器件供電時(shí)，電壓在傳輸線中會(huì)產(chǎn)生一些波動(dòng)，在VOUT與GND間又接入了容值為0.1μF的濾波電容C3~C5。電容 C1~C5不僅可以濾除噪聲，也可以及時(shí)補(bǔ)充器件高速工作時(shí)所需的尖峰電流。

1.2 基準(zhǔn)電壓模塊設(shè)計(jì)

為保持穩(wěn)定的輸出電流, 基準(zhǔn)電壓必須具有低溫漂,低噪聲,高穩(wěn)定性的特點(diǎn)[8]。AD780BN是一款超高精度的帶隙基準(zhǔn)電壓源, 其最大溫漂為3ppm/℃，最大噪聲為100 nV/ Hz。所構(gòu)建的基準(zhǔn)電壓電路如圖3所示。為使輸出電流從20~350mA按30mA的步進(jìn)可調(diào)，即要求到達(dá)采樣電阻的電壓可調(diào)，電路中使用電阻分壓結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)分壓。

圖3中，AD780BN 提供3V的低噪聲基準(zhǔn)電壓，利用電阻R1~R13實(shí)現(xiàn)電壓分壓，通過(guò)節(jié)點(diǎn)S1~S12送入多路復(fù)用器。C6~C18均為容值0.1μF的濾波電容，濾除基準(zhǔn)電壓電路中可能的噪聲。利用流經(jīng)電阻R1~R13的電流 I均相等，由基爾霍夫電壓、電流定律可知：

式中：UR1為R1兩端電壓降2.65V;UR為R2~R12每個(gè)電阻的壓降30 mV;UR13 為 R13壓降 20 mV。代入式(1)、式(2)后可得：

測(cè)試時(shí)，取 R2=50 Ω，則 R1=4 417 Ω，R13=35 Ω。

1.3 電流調(diào)控模塊設(shè)計(jì)

為使電流調(diào)控更加便捷，本文在基準(zhǔn)電壓模塊后加入型號(hào)為ADG1606的多路復(fù)用器。多路復(fù)用器的選擇需要考慮導(dǎo)通電阻及導(dǎo)通電阻平坦度對(duì)輸出信號(hào)非線性失真的影響。本文所選多路復(fù)用器在工作溫度范圍內(nèi)最大導(dǎo)通電阻為7.5Ω，其構(gòu)成的電流調(diào)控電路如圖 4所示。電路中芯片開(kāi)關(guān)端口S1~S12接12個(gè)不同的基準(zhǔn)電壓，S13~S16接地，4位二進(jìn)制地址線(A0~A3)選擇16個(gè)單通道輸入中哪一路切換到公共輸出端。

1.4 恒流驅(qū)動(dòng)模塊

恒流驅(qū)動(dòng)模塊是恒流源電路的核心單元，本文設(shè)計(jì)的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)恒流驅(qū)動(dòng)模塊如圖5所示。其由低噪聲運(yùn)放U4、保護(hù)電阻R19、采樣電阻Rs、短路保護(hù)開(kāi)關(guān)K1、半導(dǎo)體激光器 LD、3個(gè)電容(C19~C21)和 2 個(gè)三極管(Q1與Q2)組成。U4的同相端通過(guò)電阻R19接入來(lái)自復(fù)用器輸出的電壓Vref，反相端接采樣電阻Rs，負(fù)反饋結(jié)構(gòu)使采樣電阻兩端電壓V-與同相端電壓V+保持一致，以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于動(dòng)態(tài)平衡。為使采樣電阻兩端電壓保持穩(wěn)定，選擇噪聲低、電源抑制比高的運(yùn)算放大器，本文使用單電源供電的LT1677型軌至軌運(yùn)算放大器，其可輸出0至電源電壓。

圖5中，運(yùn)放 U4同相端輸入電壓V+由電流調(diào)控模塊的輸出提供，通過(guò)由場(chǎng)效應(yīng)管Q1與晶體管 Q2組成調(diào)整網(wǎng)絡(luò)后，由采樣電阻Rs將采樣電壓V-反饋到U4反相端。 將V+與V-做比較，調(diào)控U4的輸出電壓, 進(jìn)一步調(diào)控輸出電流。電路中Q1選擇低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管 2SK170, Q2選擇NPN型晶體管MJE15032, 采樣電阻Rs阻值為1Ω，保護(hù)電阻R19阻值為10Ω，C19容值為1μF，C20，C21容值為0.1 μF。

利用運(yùn)放的“虛短”特性有：Vref=V+=V-，利用運(yùn)放的“虛斷”特性有:Io=V-Rs, 即Io=Vref Rs。當(dāng)VCC, Vref穩(wěn)定， 而Io突然增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致Q1漏極電位下降，而使U4同相輸入端與反相輸入端之間的壓差降低，運(yùn)放輸出電壓即Q1柵極電壓減小會(huì)使Q1漏極電流ID減小，導(dǎo)致Q2基極電流IB減小，使Q2集電極電流IC及Io減小。同理，當(dāng)流過(guò)電阻RL的電流突然減小時(shí)，U4同相端與反相端之間的電位差增加，Q2集電極電流IC變大使Io增大，這表明恒流驅(qū)動(dòng)電路具有輸出電流的自我調(diào)節(jié)功能。對(duì)該電路進(jìn)行分析，得到流過(guò)LD的電流，即Io的大小和穩(wěn)定性僅與Vref，Rs的比值有關(guān)，而Rs一般為固定值，若Vref 精度高、穩(wěn)定性好，則輸出的電流便具有高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

LD是一種結(jié)型器件，承受電沖擊能力弱，使用過(guò)程中的電沖擊主要來(lái)自電源關(guān)斷或開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生的電壓、電流涌浪沖擊，或是外電路帶來(lái)的涌浪沖擊?；诖耍疚膶⒁粋€(gè)接觸電阻很小的開(kāi)關(guān)K1與LD并聯(lián)。當(dāng)開(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，由于K1電阻很小，此時(shí)K1相當(dāng)于短路，電流不會(huì)經(jīng)過(guò) LD，在電路穩(wěn)定工作后再斷開(kāi)K1，LD開(kāi)始工作，這種方法可以非常有效地消除電源開(kāi)關(guān)時(shí)所產(chǎn)生的涌浪沖擊。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 輸出電流相對(duì)誤差測(cè)試

圖6為設(shè)計(jì)的恒流源電路實(shí)物圖，電路尺寸為3.5 cm×3.0 cm，電路板分為上下兩塊極板，通過(guò)四角上的排針相連。上極板的VIN端接5 V的電源電壓，下極板通過(guò)杜邦線控制芯片輸出，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電流的目的。

設(shè)計(jì)的恒流源可以輸出12個(gè)不同的電流值。采用六位半數(shù)字萬(wàn)用表Keithley 2000測(cè)量恒流源輸出值，測(cè)試電路如圖7所示。測(cè)量的數(shù)據(jù)為直流電壓，根據(jù)歐姆定律將直流電壓轉(zhuǎn)換成直流電流。

輸出電流值與復(fù)用器真值表的關(guān)系，以及測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，其中相對(duì)誤差是將實(shí)際值與理論值進(jìn)行比較，計(jì)算公式如下：

由表1可以看出，除20 mA以外，其余電流測(cè)試值與預(yù)設(shè)值誤差較小，相對(duì)誤差優(yōu)于 1.5%。由表1結(jié)果分析可知：電流值整體偏小，可以通過(guò)減小R1阻值或選用更高精度的電阻等對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn);而20 mA電流值與預(yù)期誤差較大，可增大R13阻值或選用高精度電阻做進(jìn)一步改進(jìn)。

2.2 輸出電流穩(wěn)定性測(cè)試

在室溫下，利用數(shù)字直流穩(wěn)壓電源、六位半數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)恒流源進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試?？紤]半導(dǎo)體激光器價(jià)格昂貴，參考其推薦用法，測(cè)試時(shí)將2個(gè)5 Ω的高精密金屬箔電阻器 RJ711并聯(lián)得到2.5 Ω 的負(fù)載接入電路輸出端[9?10]，用萬(wàn)用表直流電壓檔進(jìn)行測(cè)量，每隔 1 min 記錄1次恒流源輸出電流，觀察電流穩(wěn)定度，總計(jì)60 min。其記錄結(jié)果如圖8所示，可以看出，該恒流源連線工作1h后，輸出電流仍保持穩(wěn)定。穩(wěn)定性(Istability)是恒流源性能優(yōu)異的重要指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

式中：Ia是輸出電流平均值;Ic是電流測(cè)試值。計(jì)算得到輸出電流值為20 mA時(shí)Istability最大，為0.029%;輸出電流值為350 mA時(shí)Istability最小，為0.007%?？梢?jiàn)，恒流源穩(wěn)定性良好。

不同輸入電壓下，電路輸出電流的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。圖9表明, 該恒流源在3.8~5.5V之間輸出的電流穩(wěn)定。

2.3 輸出電流噪聲測(cè)試

半導(dǎo)體激光器對(duì)恒流源要求必須是低噪聲的，所以對(duì)所設(shè)計(jì)的恒流源進(jìn)行噪聲大小測(cè)試是非常必要的。同樣采用六位半數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試，負(fù)載仍為2.5Ω高精度電阻，選擇萬(wàn)用表的直流電壓檔進(jìn)行測(cè)量[2]。測(cè)試時(shí)，從輸出電流350 mA按30 mA遞減至20 mA，每改變一次電流值就記錄電流表上直流電壓檔的示數(shù)。 表2為電流噪聲與輸出電流的關(guān)系。由表可知，該恒流源輸出電流噪聲最大為2.8 μA。

表3中給出了所設(shè)計(jì)的恒流源電路性能參數(shù)與部分已報(bào)道的恒流源電路參數(shù)的比較。由表3可見(jiàn)，本文電路具有低噪聲的性能。

3 結(jié) 論

為給半導(dǎo)體激光器提供高穩(wěn)定性、低噪聲的恒定電流，設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)的恒流源電路。此恒流源采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，通過(guò) JFET 將電壓轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)過(guò)JFET和BJT構(gòu)成的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出穩(wěn)定的電流，并給出了消除電源開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的涌浪沖擊的方法。測(cè)試結(jié)果表明，該電路可在3.8~5.5 V的輸入電壓范圍內(nèi)，按30 mA的步進(jìn)輸出20~350 mA的輸出電流，電流穩(wěn)定度在0.007%~0.029%之間，噪聲低 3 μA，同時(shí)具有體積小的優(yōu)點(diǎn)。

作者簡(jiǎn)介：

黃惠琳(1997—)，女，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)?；旌?a target="_blank">集成電路設(shè)計(jì)。

陸小飛(1977—)，男，江蘇南通人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

楊羽佳(1995—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)。

黃 靜(1978—)，女，江蘇南通人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)。

施 佺(1973—)，男，江蘇南通人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榧上到y(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用、智能信息處理。

審核編輯：湯梓紅

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