恒流源在高精度数字多用表中的设计与实现

（５）
其中电源电压“为１８Ｖ；Ｖ．ｄ为ＪＦＥＴ Ｑ矩的漏源
间的电压；％为负载电压；电压５．１Ｖ为稳压管ＣＲ２０３
的电压。由此推导出负载电压不能超过１３Ｖ，根据恒
流源的输出电流，Ｌ，可以确定带负载电阻的量程：
ＲＬ＜（Ｕｉ—ｙ，５．１ｖ），，Ｌ
（６）
负载电阻尺。的值要满足公式（６）的关系，当尺。
一７４—
第一部分电路为恒流接收器嘲，因为有电流，，流 过电阻尺，，经过Ｊ７、ｒ沟道型的ＪＦＥＴ Ｑ捌，流入电流检测 电阻Ｒ拢，
计中ＬＭ３９９采用双电源±１５Ｖ供电，ｌ脚输出基准电 压蚝等于６．９５Ｖ。电阻Ｒ，为限流电阻。根据运放的
虚短的概念，运放２脚的电压等于ＬＭ３９９输出的基
准参考电压６．９５Ｖ，因而在电阻Ｒ２０２上产生一个稳
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ，ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ｓａｍｐｌｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
Ｏ引 言 恒流源在仪器仪表、电子设备及高新科学技术中
属于—个重要的部件。在高精度的数字多用表中，具 有基本的电阻测量功能，而电阻测量的方法通常是经 过电阻一电压僻一∽转换电路，即采用恒流源的方｛去ｌｔｌ。 电阻的测量精度很大程度上取决于流过该被测电阻 的恒流源电流的精度，当恒流源电流精度高时，测得 电阻的电压稳定，能够提高电阻的测量精度。因此，设 计一个稳定性好、准确度高的恒流源是十分关键。本 文根据实际的需要，在器件选型上，考虑到噪声、温漂 的影响，设计出稳定性好的恒流源。 １恒流源介绍
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｗｉｔｈ ｈｉ．ｇｌｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉＳｈ—
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｌｔｉ－ｍｅｔｅｒ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
Ｖ。，电阻尺矩、Ｒ，和采样电阻尺。有关系。电阻的精度
自然十分重要，但温度变化和时效变化都会使电阻的
阻值发生改变。为此必须选择精度高、温度系数小的
本电路的关键电阻选择精度为０．１％，温度系数５ｐｐｍ／ｃｌＣ
的精密金属膜电阻。
该电路的负载输出电压￡，ｏ受到电源电压“的限
制，满足下式：
（ｙ，Ｖ一蚴＝（ｑ一５．１Ⅵ
万方数据
总第拍卷第敛ｌ期 加眇年第惦期
电测与仪表
ｌｚｌ∞ｔａ－ｌｅｌｌ Ｍｅ●嗣叫他ｍ叫＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
Ｖｄ．４６ Ｎ０５２ｌ
ＭＩｙ．铷眇
的阻值太大的时候，ＪＦＥＴ Ｑ搬就不能稳定工作在恒流 区，恒流源的输出电流，Ｌ也就不再稳定。 ２．２测试验证与误差分析
实验测试结果如表１所示，实际值与理论值有一 定的偏差，但是测试的结果稳定性比较好，精度较高， 可以满足高精度的数字多用表中电阻测量功能的应 用。
采样电阻，从而控制不同的恒流源电流输出。ｐ碰为Ｐ 沟道ＪＦＥＴ ２ＳＪｌ０３，其栅源漏电流最大为ｌｎＡ，对电流 的输出影响可以忽略。由虚短定理，同相端和反相端 的电压差接近零，所以采样电阻Ｒ。上的电压等于电 阻尺，上的电压，最后输出电流，Ｌ为：
， 亿．．尺，
，小
一
。Ｒ撇尺ｓ
由式（４）可知，恒流源输出的电流，Ｌ与基准电压
路结构和工作原理，研究了影响恒流源精度的一些关键因素，提出了恒流源的设计方案，该方案采用由低噪声
的运算放大器构成的反馈型电路来设计，给出了具体的硬件原理图。实验结果表明：设计的恒流源能够满足高
精度的数字多用表中电阻测量功能应用。该电路具有较小的体积和高可靠性，设计方式灵活，具有很好的使用
价值。
关键词：恒流源；电压基准；采样电阻
图ｌ反馈型恒流源的结构框图
Ｆｉｇ．１ Ｆｅｅｄｂａｃｋ－ｂａｓｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｇｃｅ ｄｉａｇｒａｍ
１．２基本电路模型 ．反馈型恒流源的具体电路形式有很多。根据恒流
源的负载连接方式不同，分为负载接地型和负载浮制 型闭。由于所设计的恒流源是针对数字多用表中的电 阻测量功能的应用，而数字多用表在测量电阻时其中 黑表笔端与数字多用表内部电路板的地线相连，因而 所测负载电阻有一端是接地的，故所设计的恒流源应 是负载接地型的。其基本电路模型如图２所示。
ＶＣＣ 屯
’
晶体管的发射极电流约等于集电极电流，流过负 载尺。的电流等于“
由式（１）可知，恒流源的精度与基准电压源ｙ一 和采样电阻Ｒ。的精度有关。除此之外，由于运放的负 反馈的作用，运放的开环增益高低、失调电压、失调电 流、偏置电流都会影响恒流源的精度；三极管的基极 电流、直流放大倍数口不够大，会引入恒流源电流输 出误差，特别是小电流恒流源输出时，晶体管的基极 电流带来的误差就不能被忽视。 ２恒流源电路设计及测试验证与分析 ２．１恒流源电路设计
阻；晶体管Ｔ１为调整管；运放Ａ为误差比较放大器。 恒流源输出电流，Ｌ流过采样电阻Ｒ。把电压反馈到运 放的反相输入端，当负载Ｒ。变化时，电压能及时反馈 给运放，误差电压经过放大后输出电压‰去控制调 整管Ｔ１，从而维持输出电流恒定。
运放工作在负反馈放大状态，根据虚短的定义， 同相端和反相端的电压是相等的闭。采样电阻Ｒ。两端 的电压等于基准电压ｙｄ，所以输出电流凡为
总第舶卷第５２１期 ２００９年第帖期
电测与仪表 Ｅ／ｅｃｔｒｉｃｓｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
Ｖｄ■６ Ｎ０５２１ Ｍａｙ．２００９
恒流源在高精度数字多用表中的设计与实现
徐猛，李智
（桂林电子科技大学电子工程学院，广西桂林５４１００４）
摘要：针对高精度数字多用表中的电阻测量功能，设计了一种高稳定度的恒流源。通过分析典型的恒流源的电
依据所设计的高精度数字多用表的电阻测量功 能，不同的电阻档需要不同的恒流源电流，因而需设 计—个有４种恒定电流输出的恒流源电路。设计结合 了反馈型恒流源基本工作原理，通过选择不同的采样 电阻值，从而达到４路不同的恒流源电流输出。
在恒流源的设计中，基准电压的选择十分重要， 它直接影响着恒流源的稳定性能１４１。基准电压要求精 度高，温漂影响小，需要选择低噪声的基准电压芯片。 基于以上的要求，综合考虑后选择了凌特公司的并联 电压参考芯片ＬＭ３９９，输出基准电压的典型值为 ６．９５Ｖ。它具有以下特点：温漂系数小，０．５ｐｐｍ／ｏＣ；动态 电阻小，最大ｌｆｔ；噪声电压有效值最大２０ｐＮ；初始 精度２％。
反馈型恒流源是通过负反馈的作用，使加到比较 放大器的两个输入端电压相等，从而保持输出电流恒 定。这种电路是依靠与负载串联的调整管的内阻变化 来补偿输出电流的变化，故又称为串联调整型恒流 源。它主要由基准电压源、比较放大器、调整管、采样 电阻等部分构成，其组成框图如图１所示。具体的工 作过程：通过采样电阻把输出电流转变成电压，反馈
定的电压，流过ＪＦＥＴ Ｑ∞。源极端的电流，ｌ为：
ｌ，＝Ｖｓ／Ｒ撇
（２）
又因为ＪＦＥＴ的漏极电流和源极电流相等，故流
人电阻尺，上的电流和，。相等，所以电阻尺，上的压降
ｙ一为：
Ｖ，，。＝１１ｘＲ，＝之姆
（３１
由式（３），推出在电阻尺，上产生一个稳定的电 压，大约为５Ｖ。此电压作为后级电路中采样电阻的基 准电压。
恒流源的基本作用是消除或消弱电源电压、负载 电阻和环境温度变化对输出电流的影响。恒流源按照 调整方式的不同，可以分为直接调整型恒流源和间接
调整型恒流源【ｌｔ。直接调整型恒流源电路简单，主要有 供电电源和恒流器件构成，利用了恒流器件的非线性 特性对负载电流进行直接的调整。例如恒流二极管， 但其电流值有限且稳定度也较差。间接调整型是由电 子管、晶体管和其他电子元件一起构成的恒流电路。 例如基于ＯＰ放大器的反馈型恒流源，利用此类电路 可以制作出性能优良的恒流源。 １．１反馈型恒流源基本结构
第二部分电路由运放Ｕ２０１Ｂ与采样电阻尺ｓ和
ＡｌｉｂｉＵＩ
图４恒流源电路设计原理图
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ￥Ｏｔｌｌ＇Ｃｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ
调整管Ｑ强组成恒流源的末级输出电路。采样电阻尺。 材料类型的电阻。精密金属膜电阻的温度系数和时效 由尺，、风、Ｒ，、Ｒ。构成，通过继电器开关来选择不同的 变化都比较小，适合作为小电流恒流源的采样电阻。
中图分类号：ＴＭ９３３．１；ＴＨ８９
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００ｌ一１３９０（２００９）０５－００７２－０４
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｏｕｒｃｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＤＭＭ
ＸＵ Ｍｅｎｇ，ＬＩ Ｚｈｉ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４ １ ００４， Ｇｕａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ）
一７２一
万方数据
总第舶卷第￥２１期 ２００９年第惦期
电测与仪裹 ｌｔｌｅｅｔｒｌｃａｌ Ｍｅａｓｍ－ｅｍｅａｔ＆Ｉｍｔｒｍｎｃａｔａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ ４６Ｎ０５２ｌ Ｍａｙ．２００９
给比较放大器输入端，在与基准电压相比较，放大器 把误差电压放大后去控制调整管的内阻对输出电流 进行调整，维持输出电流恒定１＂２１。
所设计的整体电路如图４所示，该电路可以有４ 路不同的恒流源电流输出，通过选择不同的采样电阻 来切换恒流源的输出电流。本电路分两部分，第一部 分由ＬＭ３９９、运放Ｕ２０１Ａ、ＪＦＥＴ Ｑ∞。等构成恒流接收 器嘲；第二部分有运放Ｕ２０１Ｂ、ＪＦＥＴ Ｑ孙采样电阻（如 风皿，皿。）等构成恒流源电流输出电路。
ａｎｄ ＳＯｍｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ８０ｕｒｃｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｕｓｅ ｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ－ｂａｓｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｇａｖｅ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｍｅｅｔｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＤＭＭ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｓ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ＳＯ ｉｔ ｈａｓ ａ ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ ｖａｌｕｅ．
ＩＬ＝ｙｄ侬ｓ
图３ ＬＭ３９９ＡＨ内部功能结构图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＬＭ３９９ＡＨ
恒流源电路中的运放的失调电压、温漂、噪声电 压等会影响恒流源电流的精度，因此误差比较放大器 应该具有高输入阻抗、低噪声和超低漏电流。基于以 上考虑，设计采用ＡＤＩ公司的ＡＤ７０６，内部含有两个 运算放大器。它是具有双极性场效应晶体管（ＢｉＦＥＴ） 的输入级，因此具有高的输人阻抗、低输入偏置电流，
万方数据
一７３—
总第撕卷第５２１期 ２，００９年第惦期
电测与仪表 ＥＩｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅａｃａｒｅａｎｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ
Ｖｄ舶Ｎｏ－ｓ２１
Ｍａｙ．２００９
低失调电压，低失调电压温漂，低功耗等特点。 调整管选择ＪＦＥＴ替代了晶体管，ＪＨＴ是压控型
元件。晶体管是电流控制型器件，它的基极电流会引 入到恒流源电流输出端，在小电流恒流源输出时误差 影响大，ＪＦＥＴ的栅级没有电流流人，故对恒流源电 流的影响远比晶体管的影响小，可以获得误差极小的 恒流源。
ＬＭ３９９内部自带恒温加热器，能够改善温度漂移 带来的影响，长期的稳定性能好。其内部功能结构图 如下图３所示。
图２负载接地型的基本恒流源电路
Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｃｉｒｃｕwk.baidu.comｔ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｌｏａｄ
图２中，Ｖｏｃ为电源输入电压，也为运放提供工作
电压；％为基准电压源；尺。为采样电阻；尺。为负载电