感性負載下高精度電流源研究

張智勇，盧亦桐，韓靜怡，任曉琨

（中國航空工業集團公司 西安航空計算技術研究所，陜西西安，710076）

0 引言

航空機載設備之間需要傳輸各種信號，信號傳輸方式除了常規的直流電壓傳輸之外，電流信號由于具有其較簡單的結構，較強的干擾抑制能力，較強的遠距離傳輸能力以及安全可靠的優勢，運用也十分廣泛。電流信號通常由精密的電流源電路產生，設計精密的電流源是電流信號穩定可靠傳輸的重要基礎。目前，大部分電流源的輸出均由輸入電壓直接控制，輸出電流大小與輸入電壓基本呈線性關系，輸入電壓經V-I轉換電路輸出電流。因為輸入電壓產生的電路拓撲多種多樣，以及V-I轉換電路拓撲也各不相同，所以電流源在輸出范圍和輸出精度方面有各自特點[1]。

文獻[4]對Howland電流源進行了研究，原本的Howland電流源電路輸出受負載干擾較大，分辨率、控制精度和穩定性都不高。該文獻針對這些問題，以DSP為控制核心，將Howland電流源電路進行了改進，DSP控制12位DAC產生電壓基準作為壓控電流源的輸入。同時，設計電流反饋，實時采樣和比較，對電路進行精確的控制和補償。測試結果表明，改進的Howland電流源電路安全性和準確性均得到了提升，負載的影響顯著降低，穩定性，精度和分辨率都有一定提升，滿足力矩電機等高精度高安全性要求的應用需求[4]。

文獻[5]提出了一種高精度寬范圍的數控電流源模塊，該電流源模塊包含一種由運算放大器和P溝道MOS管組成的壓控電流輸出電路。在該設計中，輸出電流精度高，范圍寬，同時高度集成的運算放大器使電路具有小型化優點[5]。

文獻[6]提出了一種支持正負20mA范圍內輸出的高精度電流源電路，其V-I轉換核心由兩個相同的儀表放大器組成，輸出精度可達千分之一，并同時檢測電流的反饋值上報CPU[3]。當電流源驅動阻性負載或者容性負載時，輸出電流穩定性較好。然而，在感性負載下，輸出電流變化時，電路的穩定性以及快速性均會受到一定程度的考驗[7]，該文獻沒有考慮感性負載對電路輸出的影響。本文在文獻[6]的基礎上進行感性負載下高精度電流源的穩定性和快速性研究。

1 電路基本原理

文獻[6]提出的電路核心包括級聯的儀表放大器以及推挽電路，如圖1所示，儀表放大器U1的輸出控制推挽電路的基極電壓，儀表放大器U2提供誤差校正，誤差電壓送至U1的基準腳，并與輸入電壓Uref相加，結果得到一個與輸入電壓Uref成正比的輸出電流IOUT，即使在90mA輸出時也可以保持高精度。

圖1 核心電路原理圖

儀表放大器雖然是由運算放大器發展而來的,但比運算放大器性能更好,是一個更加精確的差分電壓放大器[8]。因為在儀表放大器的里面還整合了關鍵電極塊,所以它具備高共模控制比、高輸入工作電流、低噪音、低線性誤差、低損失漂移增益等設計靈活和應用簡便的特性,應用于高速的控制、數據采集以及傳感器信號的放大等技術,在醫療儀器,航空航天,高檔音響設備等領域倍受青睞。另外,儀表放大器差分輸出,單端輸入,自身是一個小閉環系統。通常,計算放大器的閉環增益是根據反相輸入端和輸入輸出端間所連接的外界電流確定,但在儀表放大器內有反饋電阻網,由反饋網絡和輸入端口相互隔離,增益范圍可由內部電流預置,也可由設計師設計的外界增益電阻選擇。

儀表放大器的基本結構是兩級差分放大電路[9]，如圖2所示。其中,運放O1,O2的方式均為同相差分信號,由于采取了同相信號的方法,進入信號電壓較高,因而集成電路中對微弱輸入信息的減弱作用較小;通過差分輸入的方法,共模信號被擴大,而差模信息加大,使輸入輸出形成了最大的差模信息和共模信號之間的幅值比(即共模控制比CMRR)。就如此,在帶有運放O3的輸出級差和分放大系統中,在相同共模控制比的情況下,電阻R3和R4,以及射頻電阻和R5的精度匹配條件大大降低。因而,儀表放大電路就比普通的差分放大電路具備了較好的共模控制功能。

圖2 儀表放大器典型結構

儀表放大器的作用是對電路進行控制和誤差校正，但不是輸出電路的一部分。因此，三極管Q1和Q2可以替換為更大功率的三極管，以實現更高的電流輸出。

此外,還可將儀表放大器的增益設置至1～10000左右的任意增益，不同增益適用于不同的輸入電壓信號。一般來說，通常,在儀表放大回路的RG端通過簡單的跨接電阻,就能夠達到所需要的增益。

圖1所示電路圖中，推挽電路由兩個三極管組成，這兩個三極管的基級連接到一起，其中NPN三極管上拉到+15V，PNP三極管下拉到-15V。不同輸入電壓，推挽電路接通不同的三極管，三極管導通后通過輸出電阻將電壓轉換為電流。不同的輸入電壓結合不同的輸出電阻，最終的電流輸出值通過這種方式被控制在一定范圍內，同時，由于三極管的最大過流屬性，外部負載的大小是有限制的。

下面對圖1所示電路原理具體分析：

電阻RG1和RG2用于配置U1、U2的放大倍數，假定將兩個儀表放大器的放大倍數分別配置為A1，A2，則：

文獻[3]中，配置A1=A2=1，因此：

2 感性負載下仿真分析

令該電流源電路驅動感性負載Rload和Lload，在Saber中搭建仿真模型，進行仿真分析。

首先對儀表放大器進行選型。AD620也是一種兼顧成本與精確度的專用放大器,通過設定一個外部電流來調整增益范圍,增益范圍可設定在1～10000。AD620由傳統的三運放架構擴展而來,但由于其供電設計較一般的三運放架構更大,且設計容量也更小,因此耗電量較小(不超過1.3mA),更適合于低電壓低功耗的使用環境。

AD620的單片設計和激光晶體控制,使得集成電路器件密切地配合與追蹤,并保持了集成電路內在的高性能。AD620采用三運放組合的儀表放大單元,可保證增益調節的精確,其進口端的三極管供給單一的差分或雙極輸入,同時采用β技術可以得到較小的進口偏置電壓,并且利用輸入級的OP放大器的反饋,從而維持了進口三極管的集電極流量不變,同時可以將輸入電流加在外部增益的輸入電流RG上。

另外,AD620也具有良好的通訊功能,非常適合在多路復用的場合中[10]。在增益為100時，AD620的信號帶寬仍能達到120 kHz。因此，文中選用了高性價比的儀表放大器AD620。本文將外部電阻RG1、RG2均設置為開路，配置兩個儀表放大器AD620的增益為1。

本文擬對-20～20mA 電流輸出的電流源電路進行分析，選取推挽電路中的三極管Q1、Q2時，需考慮通過電流的能力，并有一定余量。

電路參數選擇如表1所示。

表1 電路參數選擇

2.1 穩定性分析

繪制出該電路Bode圖，從圖3中可以看出在10Ω，1mH的負載下，系統幅值裕度約為14dB，相角裕度約為10°，系統是穩定的。

圖3 Bode圖

2.2 階躍響應分析

給定Uref在1ms時由0變為5V（對應輸出應從0mA變為20mA），仿真步長為1μs，仿真時長2ms，系統的階躍響應如圖4所示。從圖中可以看出，系統輸出有較大超調（5.27mA），且系統在經過100μs后重回穩定20mA。

圖4 階躍響應

通過對該電路在感性負載下的穩定性分析可以看出，該電路穩定性較好；通過對該電路的階躍響應分析可以看出，該電路有較大的超調，輸出電流設定為20mA的條件下，超調超過了5mA，即25%，超調是衡量調節品質的一個量，超調反映的是控制系統在達到穩態前控制作用最差的結果。因此，需要采取措施對電路進行優化校正。

3 校正措施研究

在輸出端并聯校正電阻RB與校正電容CB，如圖5所示，在不改變電路原穩定性的條件下，調節參數以期獲得更強的快速性，消除超調。

圖5 電路校正措施

經過參數整定，當校正電阻RB為100Ω，校正電容CB為1μF時，系統消除了超調，同時擁有良好的快速性，90μs達到了穩態，如圖6所示，Iout-1表示校正之前的輸出電流波形，Iout-2表示校正后的輸出電流波形。

圖6 校正前后階躍響應對比

4 結語

本文分析了一種支持-20～20mA 電流輸出的高精度電流源的工作原理，結合Saber仿真軟件，根據該系統具有較強的穩定性但是階躍響應超調過大的結果，提出一種校正方案。仿真結果表明，校正方案可以消除超調，增強了此高精度電流源的實用性。