数控直流电流源01

高稳定性数控恒流器件

盛法生范雅俊吕品桢

摘要:介绍一种数控恒流器件。它具有D/A转换功能，采用模块结构，最

大输出电流I

O 可达2 A。样管的I

O

变化范围0～2 A;电流温度系数为

(0.1～2.0)×10－5℃－1;电流稳定度为(0.1～1.0)×10－4V－1;起始电压低于0.5 V;体积小、功率损耗低。

关键词:D/A转换数控恒流器件模块结构

分类号:TN79，TN710

随着数字电路应用领域的扩展，对数控恒定电流器件的需求越来越迫切。目前，国内尚未见有关商品化数控恒流器件的报道。

本研究的数控恒流器件的设计原理是利用数字信号的变化来控制输出电流I

O

的变化。它具有数模（D/A）转换功能；输入数字信号分辨率

为8 bit；数字信号全“1”输入时，最大I

O =2 A；I

O

能在0～255级数

字信号输入控制范围内，0～2 A之间分256级变化；I

O

可调范围宽；允

许工作电压变化大；电路接口与TTL(晶体管-晶体管逻辑电路)兼容；体积小、调节方便；可广泛地应用于传统恒流器件〔1～2〕无法涉足的领域。

1 结构及工作原理

为使数控恒流器件在保证设定参数指标的前提下，体积更小、功耗更低、使用更方便，采用了模块结构。它由（D/A）转换〔3〕、基准电源、比较电路、功率放大、反馈等单元电路所组成，其基本结构框图如图1所示。

图1 基本结构

数控恒流器件的基本工作过程为数模转换单元电路在时钟脉冲作用下，把数据端输入的数据通过移位寄存器逐位读入，锁存脉冲把寄存器中的数据锁存到数模转换电路（DAC）中，控制信号时序如图2所示，即在两个锁存脉冲间隔中输入8个时钟周期脉冲，锁存8位数字信号并完成D/A转换；比较电路承担D/A转换后的模拟信号与基准电源的比较、

反馈信号调整模拟信号等，从而通过功率放大电路实现对I

O

的数控。

2 电路设计

2.1 基准电流源

基准电流源直接影响恒流器件性能，如I

O 的稳定度S

I

、温度系数α

I

、

起始电压V

S ，特别是S

I

。试验证明，采用温度补偿模式的高稳定基准电

流源，可满足器件的使用要求。

图2 控制信号时序

2.2 反馈单元电路

为保证数控恒流器件的高稳定性，器件内部应有反馈单元电路。较

简单的办法是通过采样电阻R

S 与负载串联实现采样反馈，但R

S

的选择直

接影响I

O 的稳定性和器件自身功耗。若R

S

过大，将导致功率损耗增加；

若R

S 过小，则反馈信号太弱，不利于对S

I

的控制。采用放大分压电路增

大反馈，是降低功耗，确保反馈信号有效控制的理想办法。

2.3 功率放大电路

功率放大电路受比较电路输出信号的控制，数字信号的变化通过功率放大电路调整管控制I

O

。根据设计要求，调整管必须具有输入阻抗高、驱动电流小、跨导大及无二次击穿等特性，选用功率MOS器件〔4～5〕易于满足设计要求。但由于功率MOS器件极间电容比较大，易引起电磁干扰或自激，需采取适当工艺措施予以排除。

2.4 恒流器件的I

O

由于数控恒流器件的I

O

与数字信号量的输入成正比，所以其输入输出关系可表示为：

I O =K．I

REF

．D

2

(1)

式中：D

2——二进制数字量，K——修正系数，I

REF

——基准电流。式（1）

可写为：

I O =K．I

REF

．（a

1

2-1+a

2

2-2+……+a

m

2-m）(2)

令B=K*I

REF

*2-m,则得：

I O =B．(a

20+a

1

21+……+a

m-1

2m-1) (3)

式中：B是根据D/A转换器的分辨率设计模块输出最大额定电流的最小电流或最小可控电流的系数。以数字信号输入分辨率8 bit为例,则由（3）式得：

｛I

O ｝

mA

=7.84(a

20+a

1

21+a

2

22+a

3

23+a

4

24+a

5

25+a

6

26+a

7

27) (4)

式（4）中最小可控电流为7.84 mA,计算值与实际值基本相符。

3 主要技术参数及其测量

3.1 主要技术参数

用计算机SPICE程序分析数控恒流器件的输出特性曲线和各节点的工作状态，制成数控恒流器件DCM02。DCM02采用单列10脚封装模块。10个引出脚依次为锁存脉冲（LATCH），数据输入（DATA），时钟脉冲

（CLOCK），参考电压调节（REF

ADJ ），参考电压输出（REF

OUT

），数据输

出（DATA

OUT ），数字电路地（GND

D

），数字电路工作电压（DV

DD

），负载

连接端（LOAD），模拟地（GND

A

）。DCM02的工作伏安特性曲线如图3

所示。数字信号输入与I

O 的关系如图4所示。它表明I

O

随数字信号的变

化而变化，且二者之间呈线性关系。DCM02的主要技术指标如表1所示。

表1 DCM02的主要技术指标

注：v——数模转换速率；E

A ——数模转换相对精度；V

CC

——工作电

压；V

DD

——偏置电压；t——工作温度。

图3 伏安特性曲线

图4 数字信号与I

O

的关系3.2 数模转换特性测量