－10～100 mV精密電壓源設計

阮子喆

(北京航空航天大學，北京100191)

－10～100 mV精密電壓源是航空發動機溫度控制盒等重要控制系統定檢時必不可少的激勵信號源，設計時要求輸出電壓范圍優于－10.000～100.000 mV，最大輸出電流為20 mA，分辨率1 μV，24 h穩定性優于10 μV，對系統的穩定性要求非常高。針對此要求，傳統的模擬電路精密電壓源需要很高的D/A分辨率和抗干擾能力[1]。這種電壓源不但精度難以滿足要求，而且隨溫度等外界條件影響較大，因而還要加上恒溫箱和冷卻風扇等輔助措施，大大增加了定檢設備的體積和成本，而且輸出精度和驅動能力也難以滿足要求。本設計采用純模擬的方法在保證電壓源高分辨率、高精度的同時，實現輸出電壓穩定性高，隨溫度變化小，可以以1 μV為單位進行調節。

指標分析：滿量程為100.000+10.000=110.000 mV，分辨率為1 μV，如果由D/A實現，則需要17位DA，另外運算過程中會有1～2位的損失，所以至少需要19位的DA，另外如果輸出負電壓，用DA輸出負電壓也比較困難，因此本設計采用純模擬的方法來實現。

1 電路拓撲結構設計

采用運放跟隨和反向放大相結合的方式完成，輸出電壓調節由粗調和細調電位器P2和P1完成，電路如圖1所示，當Vn點的電壓固定不變時，輸出電壓近似跟隨Vp點的電壓變化，所以電位器P2完成輸出粗調功能；當Vp點的電壓固定不變時，Vn點電壓的變化值衰減至原來的1%后反映到輸出電壓，所以電位器P1完成細調的功能。當Vp電壓為零時，輸出電壓為負值，以滿足設計要求，Vn和Vp分別接電位器P1和P2的中間抽頭；三極管Q1完成功率輸出級電流放大的功能，以保證當輸出電流比較大時，輸出電壓能夠穩定；電阻R9為電路提供旁路電流，當輸出無負載時，經過二極管的電流近似為1 mA，以使電路工作在正常狀態。

2 硬件設計

2.1 敏感性分析

敏感性分析：分析電路中每個元器件參數變化對輸出測量的影響。通過圖2相對敏感性分析結果，可以看出P2和R4對電路輸出電壓影響最大，其次是R7和R8，最后是R1和R10。因為P2和R4對電路的輸出電壓最敏感，所以可以通過改變P2和R4的參數來快速改變輸出電壓。P1對輸出電壓不敏感，可以通過改變P1的參數，微量地改變輸出電壓，以達到1 μV的變化目的。R7和R8對輸出電壓影響比較大，所以應選用高精度、高穩定性、低溫漂的電阻，以達到輸出電壓穩定的目的。

圖1 電路拓撲

圖2 敏感性分析結果

2.2 優化分析

優化分析：設定好元件參數的范圍和目標參數，由軟件仿真來確定準確的元件參數，以滿足目標參數。

本設計的目標參數為最大輸出電壓，設定范圍為最小99 mV，最大101 mV，由敏感性分析可知，R4對電路的影響最大，所以修改R4的參數來滿足輸出目標，仿真結果如圖3所示，當電阻R4=21.560 6 kΩ時輸出電壓為100.073 mV，滿足要求。圖4為使用優化參數R4=21.560 6 kΩ的實際電路仿真結果，與優化分析結果一致。實際應用中R4選用20 kΩ精密電阻，最大輸出電壓為108.390 mV。

圖3 優化分析結果

圖4 使用優化參數后的電路仿真結果

2.3 Monte carlo分析

Monte carlo分析：當電路的元器件參數在容差范圍內變化時，電路輸出指標相應變化，非常適用于大批量生產。

本設計的電阻容差為1%，運行40次的輸出電壓范圍如下：最小值為106.408 mV，最大電壓為110.442 mV，分布如圖5所示。

3 負載和溫度變化時輸出電壓的穩定性測試

3.1 負載變化時輸出電壓的穩定性測試

圖5 Monte carlo分析仿真結果

負載電阻為U2，當負載電阻在10～1 kΩ變化時輸出電壓保持基本穩定是設計目標之一。圖6為負載變化時輸出電壓的仿真結果，從仿真結果看，當負載變化時，輸出電壓變化量優于1 μV，負載穩定性良好。

圖6 負載變化時的仿真結果

3.2 溫度變化時輸出電壓的穩定性測試

當電阻的溫度系數為10－4時，即溫度每變化1℃，電阻值變化萬分之一，電路輸出電壓隨溫度而變化，RTMPL=100 μV/℃為溫度系數值，所有電阻的溫度系數都一樣，初始環境溫度設定為30℃，當環境溫度從0℃變化到60℃時，輸出電壓的變化如圖7所示，輸出電壓的變化優于2 μV，非常穩定。

當R10和P2的溫度系數為10－6時輸出電壓隨溫度的變化如圖7所示：電壓從108.7 mV變化到108 mV，變化量為700 μV，所以在選取電阻時，一定要保持電阻的溫度系數一致，以保證輸出電壓的穩定性。

圖7 溫度系數相同時輸出電壓隨溫度變化

4 實際電路設計

該電路中電位器型號為7276，20圈。粗調電位器電阻值為1 kΩ，滿量程調節范圍為110 mV，即110 mV—20圈，5.5 mV—1圈，5 500 μV—360度，550 μV—36度；細調電位器電阻值為100 Ω，滿量程調節范圍為 600 μV，即 600 μV—20圈，30 μV—1圈—360度，1 μV—12 度。

運放為精密運放，型號為LTC1150。電阻為精密電阻，溫度系數為10－4，精度為千分之一，功率為0.25 W。REF03GPZ為2.5 V電壓基準，精度和穩定性都非常優良。精密電壓源實際電路和電路板如圖8、圖9所示。

圖8 精密電壓源實際電路

圖9 精密電壓源電路板

實際電路測試結果如表1所示。

表1 實際電路電壓輸出

由實際電路測試結果可見，滿足設計要求，精度和穩定性優良。

[1]王東鋒，黎映相.0～100 mV精密電壓源的設計與仿真[J].微型機與應用，2012，10：31-33.