一種高精度高溫度穩定性恒流源的研究

模擬電路里廣泛包含基準源，且在許多系統電路里都是關鍵部件，它的電氣特性將直接影響到整個系統的電氣特性。在電路設計中，往往需要一些輸出電流大、溫度穩定性好、精度高的恒流源。具有這些特性的恒流源，往往對電路中電阻的精度要求和溫度系數的要求很高，這對一次集成技術來說是一個難題。而采用混合集成薄膜工藝生產的電阻能很好地達到電路系統的要求，使用混合集成工藝技術對擴流效果也有很好的幫助。本文就是采用混合集成技術，設計一款具有高溫度穩定性和高精度的恒流源。

　　1工作原理

　　恒流源是由電壓基準、比較放大、控制調整和采樣等部分組成的直流負反饋自動調節系統。恒流源的設計方法有多種，常用的串聯調整型恒流電源原理框圖如圖1所示。

　　主要包括調整管、采樣電阻、基準電壓、誤差放大器和輔助電源等環節。通過采樣電阻將輸出電流轉換成電壓，然后與基準電壓進行比較，比較放大后的信號推動調整管對輸出電流進行調整，最后達到輸出電流恒定。

　　2 電路設計

　　2.1 電壓-電流轉換設計

　　電壓-電流轉換是恒流源的核心。最基本的恒流源電路如圖2所示。

　　圖2中工作電源電壓作為電壓輸入信號，運放擔任比較放大的作用，Q1控制調整輸出電流Io。Vref為基準電壓，它可以是任何一種電壓參考源，R0為采樣電阻；Vref耐為基準電壓；Vr為運放反相端電壓；Vo為運放輸出電壓。根據運放的基本原理，有：

　　上式表明：輸出電流由基準電壓Eg和采樣電阻Rs決定。

　　當輸出電流Io有任何的波動時，Vr=VCC-IoRS就會有相應的變化，△V=Vr-Vref經過運放調整三極管的輸出電流并使之恒定。

　　由此可知，要想獲得一個穩定的輸出電流Io，必須要提供一個高精度的基準電壓和高精度采樣電阻。又由于運放在調整控制過程中的作用，運放的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運放是必要的選擇。

　　存在的問題：由于采樣電阻與負載串連，流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會隨之上升，導致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩定性變壞。其次，恒流電源的輸出電流全部流過調整管，因此調整管上的功耗也很大，必須選擇大功率的晶體管，然而大功率晶體管需要較大的基極驅動電流，對運放有較高驅動能力的要求。再次，雙極型三極管的漏電流和電流放大系數對溫度比較敏感，溫度穩定性較差。還有，電壓-電流變換器使用的負反饋閉環控制，電流穩定度與放大器放大倍數有直接關系，在大功率電源里基本上是倒數關系。例如，若要求電流源的穩定度要達到小于10-4，則放大器的放大倍數要大于一萬倍。運方的溫度漂移和失調對電路的精度和溫度穩定性有很大的影響。

　　要解決上述問題，需要對電路的控制調整部分進行改進。改進后的電路如圖3所示：

　　用PMOS-PNP復合管來代替原來的PNP管。小信號等效模型如圖4所示：

　　小信號等效分析表明：復合管等效為PMOS管，它的跨導為(β+1)gm／(1+gmhie)，輸出電阻為RDS(1+gmhie)／(β+1)，輸出電阻與PMOS管近似。PMOS管具有較小的柵極電流和較大的漏極電流，能給三極管提供較大的基極電流。滿足了運放的驅動壓力要求，使運放不需要過大的驅動能力，電路就能正常工作。PMOS管具有溫度穩定性好、噪聲低的特點，彌補三極管的不足，有助于提高恒流源的溫度穩定性。

　　選用的運放應該有較高的增益，較低的輸入失調電壓和失調電流，以及低溫漂和低噪聲電壓。在實際的版圖設計時，減小局部區域功率密度，對整體溫度系數的降低也能起到很好的作用。