高性能雙端電流源的實現(xiàn)

電流源設計是一個比穩(wěn)壓器設計更難的挑戰(zhàn)。兩端電流源會帶來了一系列的新問題，尤其是當溫度變化時依然希望獲得高精度和穩(wěn)定性時。電流源必須在一個寬電壓范圍內工作，并能在與未知電抗串接時呈現(xiàn)高DC阻抗和AC阻抗，另外還需具有良好的調節(jié)性能和溫度系數(shù)。就最佳的兩端解決方案而言，不應該使用電源旁路電容，因為它會降低AC阻抗。

使用耗盡型FET的傳統(tǒng)解決方案在電流和溫度系數(shù)方面具有較寬的可變性。圖1所示是一個具有兩個晶體管、兩個齊納二極管的兩端電流源。它提供的兩端電流尚可，但卻只有百分之幾的精度。該電路工作于開環(huán)，因此不能提供閉環(huán)反饋電路那樣的精度。因為齊納二極管的溫度系數(shù)與晶體管不能很好地匹配，所以基于齊納二極管和晶體管的基射極電壓VBE的變化，該電路會出現(xiàn)漂移和誤差。此外，該電路兩端需要最低約 3V的電壓以正常工作。而諸如LT1004等齊納二極管(實際上是一個IC)降低了最低工作電壓。

圖1：兩端電流源

LT3092克服了傳統(tǒng)兩端電流源的一系列問題，為設計人員增加了一個多功能的選擇。通過使用一個單元或并聯(lián)單元，電流源能夠提供1mA低至更大的電流值。就電壓、負載和溫度進行的調節(jié)而言是相當不錯的，即使在器件內部有復雜反饋電路時獨特的設計方法也允許器件無需旁路電容器而進行工作。

LT3092具有較好的初始精度和非常低的溫度系數(shù)。輸出電流可以設置在0.5mA至200mA范圍內。電流調節(jié)典型值為10ppm/V。LT3092在低至1.5V或高達40V時工作，它在1mA時提供100MΩ阻抗，在100mA時則為1MΩ。與其它大部分的模擬IC不同，專用設計技術已被用來實現(xiàn)無電源旁路電容的穩(wěn)定工作，從而允許它提供高AC阻抗和高DC阻抗。

圖 2：LT3092兩端電流源。

圖2顯示了LT3092穩(wěn)流器的基本原理框圖，其架構非常類似于LT3080穩(wěn)壓器，但是它使用一個PNP晶體管作為輸出電路。內部電路是微分且?guī)Ь彌_的，具有一個調節(jié)器來隔離以使其免受電源變化的影響。這種隔離允許穩(wěn)定工作而無需旁路電容器。此外，就可使電源反向的環(huán)境而言，LT3092可以避免反向電源電壓引起的損壞，而且不傳導電流，從而保護了負載。

內部電流源和放大器偏移是為了實現(xiàn)100dB或更好的電源變化抑制效果，因此其調節(jié)性能非常好。把RSET降至0Ω也將使輸出調低至0V。

一個小的電壓加在一個20kΩ的外部設置電阻上，以產生一個200mV的基準。這使決定電流的電阻R兩端的電壓為200mV ，那么總電流就等于0.2V除以R(10μA)。該穩(wěn)流器在兩端電壓大約為1.5V至36V時工作，而且穩(wěn)流性能和溫度穩(wěn)定性都極好。作為一個兩端電流源，其負載可以在電路的正向支路中，也可以在對地支路中。

200mV的基準電壓，將會對由于內部電流源變化和放大器偏移隨電源電壓變化而產生的誤差進行補償。隨著電源變化，內部電流源的變化大約為50pA/V。內部運算放大器偏移的變化則少于5μV/V。假定電流源和放大器偏移都為最壞情況，使用一個200mV基準使放大器和內部電流源對產生的誤差相同。如果通過使用一個50kΩ的電阻，將 200mV提高到500mV，那么內部運算放大器的偏移將減小。這改善了電流源相對于電源變化的穩(wěn)定性。不過，回路的調節(jié)相當不錯，一般情況下設置電阻的兩端電壓在100mV至200mV范圍都是很合適的。

設置電阻還允許減輕微調總電流的負擔。如果這個電路用在100mA的大電流情況，由于電阻R的值很小，微調電流會很難。不過20k電阻總是非常容易調節(jié)，以設置電流值到想要的水平。圖3顯示了啟動時間，而圖4顯示在1mA輸出電流值時電流源隨溫度的變化。

圖3：達到1mA的啟動時間不到20μs。

圖4：基準電流隨溫度的變化。

提升電壓一致性

就更高電壓而言，電流源可以疊加，以能在更高的總電壓時工作。圖5顯示了疊加電流源。

圖 5：電流源疊加以實現(xiàn)更高工作電壓。

針對相同的電流設立了兩個電流源，并在每個電流源的兩端布設一個限壓齊納二極管。在低電壓條件下，遞增更快的電流源將發(fā)生飽和，電流這時將交由另一個電流源來控制。當電壓逐漸增加，齊納二極管會被啟動并開始傳導電流。接著，飽和電流源兩端的電壓開始增加。而且，它將在電壓繼續(xù)增加的過程中調節(jié)電流。當電流控制從一個電流源移至另一個電流源時，在輸出電流上的不連續(xù)性相當于兩個電流源間的誤差。這通常小于1%，而且同樣無需旁路電容來使器件正常工作。

就較大設置電流和高電壓而言，LT3092的功耗相當大。例如，30V和100mA相當于3W功耗，視乎PC板的熱阻的不同，這可能引起溫度極大地上升。一個外部電阻可以轉移部分功率到其身上，并降低LT3092中的功耗。圖6顯示從該器件的輸入至輸出有一個電阻RX的基本電流源。只要總電流高于通過RX的電流，就不會影響穩(wěn)定狀態(tài)，而且該電流源的阻抗就不會變化。通過RX的電流在反饋回路內，而且隨電壓從輸入到輸出的變化而得到補償。該電流流經內部PNP晶體管或外部電阻，而反饋回路保持總電流恒定。

圖 6：具功率轉移電阻的 100mA 兩端電流源。

為了實現(xiàn)良好調節(jié)并具有合理的裕度，就該器件在最大電壓時而言，經過RX的電流不應該大于所需電流的90%。圖中的公式顯示如何選擇RX，以便流經RX的電流始終至少為流經LT3092電流的10%。通過將一些功率轉移到外部電阻上，降低了最大內部功率。這極大地降低了器件中的功耗，并減小了溫度上升幅度。該外部電阻的引入，對電路性能的影響微乎其微。

如果需要更大的輸出電流，電流源可以直接并聯(lián)。可以使用兩個LT3092(有或沒有功率轉移電阻)，并將其直接并聯(lián)，以得到兩倍的輸出電流。圖7顯示一個以兩端工作的300mA電流源。

圖7：具功率轉移電阻的并聯(lián)電流源。

圖8顯示了另一種并聯(lián)器件的方法。由于它需要的外部元件更少，因此可能是一種并聯(lián)多個器件以獲取大電流的更佳方法。在這種情況下，設置引腳連在一起，這使得穩(wěn)流器的輸出引腳相互之間相差在幾毫伏之內。然后，穩(wěn)流器輸出為流經40mΩ穩(wěn)流電阻之和，從而實現(xiàn)電流共享。這些電阻器通常編排在貼裝器件的一小塊PCB上。接著，我們就通過使用一個100kΩ的設置電阻，將電壓降從200mV提高到1V。這樣是為了最大限度地降低溫度系數(shù)對印刷電路走線穩(wěn)流電阻的影響。

圖8：并聯(lián)電流源以擴散熱量并實現(xiàn)更大的輸出電流。

這些由銅線組成的穩(wěn)流電阻的兩端壓差大約為8mV。銅線的溫度系數(shù)為每度0.3%，而這將影響整個電流源的溫度系數(shù)。將基準電壓從200mV提高到1V將使穩(wěn)流電阻上的電壓所占比例更小，而且就100℃的溫度變化而言，這種影響將從大約1% 降低到0.2%。

將輸出電流提高到400mA以上僅需一個額外的并聯(lián)器件和一個穩(wěn)流電阻，因此就大電流而言，這最大限度減少了器件數(shù)量。在高壓時，我們通過RX分流IC周圍的部分電流以降低器件功耗。

電流源可以驅動任何類型的負載。既然該器件實際上是一個復雜的集成電路，那么負載阻抗可能對內部電路產生影響，并引起一些不穩(wěn)定性。盡管為了使該器件驅動各種負載時都是穩(wěn)定而做出了很大努力，但是不穩(wěn)定性可能依然存在。

使該器件穩(wěn)定其實很容易。可以插入一個電阻與穩(wěn)流器串聯(lián)，或者在器件的Vin和Vout兩端跨接電容器(基本上是一個旁路電容器)或串聯(lián)RC。這給該器件一個已知的阻抗，使它在遇到未知阻抗時能夠穩(wěn)定。與舊式調節(jié)元件不同，該電容器可以非常小。

存在尖峰電壓、噪聲或射頻的惡劣線路環(huán)境，將為噪聲和尖峰提供一個旁路，從而保護穩(wěn)流器的內部電路。就穩(wěn)定性而言，可以使用低至1,000pF的電容。不過也可以使用0.01μF至1μF的電容。值得注意的是，有些陶瓷電容器具有非常高的電壓系數(shù)，能夠隨著電壓變化而從5改變至1。

電容在低頻時不影響電流源的阻抗，因為像外部電阻 RX一樣，它也處于反饋回路內部。就器件兩端的AC變化而言，電流流經電容或LT3092的內部晶體管，因此阻抗不變。而在高頻時，由于LT3092在帶寬之外運行，阻抗相對于LT3092而言是呈容性的。

就工作時存在極大電壓變化的負載而言，通過電容器的電流必須低于編程電流。否則當高于編程電流的電流經過電容時，回路就會損壞。器件可以容許的電壓變化率率如圖9所示，而且依然是約90%的電流流經電容，而不會影響LT3092電流源的阻抗。例如，在器件兩端設置1mA負載和1μF電容的情況下，該電路將容許1000V/s的電壓變化率。電容、電壓變化率以及電流的其它影響可以非常容易地計算出。

圖9：電壓變化電路。

LT3092也可充當一個無需輸出電容器的穩(wěn)壓器。“本質安全”應用常常用低電流與小電容(或不用電容器)來設計。圖10顯示了一個200mA的穩(wěn)壓器。而作為一個穩(wěn)壓器，在LT3092內部產生的10μA電流將流過一個外部RSET電阻器。SET引腳上施加的電壓為該10μA電流與RSET阻值的乘積。內部電壓跟隨器在輸出引腳提供與設置引腳相同的電壓。負載從輸出引腳連接到地。

圖10：“本質安全”的穩(wěn)壓器(無需電容)。