恒流源实验电路的设计

恒流源实验电路的设计

摘要：在模拟电子技术实验教学中，一般都没有开设恒流源电路实验。事实上，恒流源电路是一种应用广泛的电路。为此，设计了两个恒流源电路，分别为负载悬浮式和负载接地式两大类型，通过PSpice仿真与真实实验相结合，使学生充分了解恒流源电路的工作原理以及影响因素，掌握其设计方法。

关键词：恒流源PSpice集成运算放大器仿真

恒流源，是一种能向负载提供恒定电流的电路，在电阻的测量、温度的测量、金属杨氏模量的测量等许多场合中得到了广泛应用[1]。目前，在国内常见的模拟电子技术实验教材中，少见有恒流源电路的实验内容，为此，有必要将一些典型实用的恒流源电路引入实验教学，以增进学生的理解。

Cadence公司的OrCAD/PSpice16.3(本文简称PSpice)是一套功能强大的EDA软件，日益成为世界上越来越多的科研和工程技术人员进行仿真计算的必备工具，利用软件进行电路的辅助设计，对于在真实当中不方便试验的一些因素（如变化的负载、温度等)都可以进行仿真。本文运用PSpice仿真工具，设计了两个高精度的恒流源电路，利用其强大的仿真功能和方便易用的图形后处理功能，对恒流源电路的负载影响以及温度影响进行了仿真分析，结果证明是可行的，运用PSpice的分析方法也具有很好的借鉴意义[2]。

1负载悬浮式的恒流源实验电路设计

图1负载悬浮式的恒流源电路

1.1理论分析

实验电路如上图1，在该电路中，负载RL串接在集成运放反向输入端与晶体管Q1发射极之间。由Q1、R2、RL构成了负反馈支路，在晶体管Q1工作在正常的放大区条件下，考虑集成运算放大器输入阻抗极高，可近似为理想运算放大器。根据理想运放的特点，利用“虚短”特性，可知流经负载RL的电流:

该电流只与输入电压V1和R1有关，与RL无关，故是恒流源电路。通过改变输入电压V1和R1，就可以实现恒流范围的变化。

1.2负载特性分析

本例中设计的恒流源电流较大，对负载的功率有一定要求，如果使用者不注意恒流源的负载特性，就可能会导致负载电阻的烧坏，但是在软件仿真当中不必担心。在图1中选取负载RL，设置其Value={RL}，放置参数元件PARAM，并在其属性中增加一行RL=1.5Ω，保持V1、R1不变，在分析设置里选择DCSWEEP，扫描变量选择全局参数RL，设定RL变化范围为从0.1Ω到10Ω，步进为0.1Ω，进行仿真计算，即可得到流经负载电流IRL的图形，从中可知：当负载电阻RL在0~7.5Ω时，输出电路IRL为1A，当负载为9Ω时，

IRL=985.6mA，误差为1.44%；当负载为10Ω时，IRL=975.2mA，误差为2.48%。事实上，对于大电流恒流源而言，负载电阻一般很小，所以该恒流源在负载为0~8Ω范围内，精度都很高，实用性强。如果学生在实验使用时，输入电压V1一开始不要调大，否则很容易烧掉负载。

1.3电路的温度特性分析

设计的恒流源电路除了要考虑负载特性外，还需要考虑环境温度可能产生的影响。在本电路中，选取负载电阻RL=1.5Ω，功率2W，设置电路工作环境温度分别为-50℃~50℃，步进为1℃，在软件中对电路进行温度扫描分析，可得到图形，

从图中可知，当温度在-50℃~0℃时，输出电流IRL随温度近似线性增长；当温度在0℃~50℃时，输出电流IRL=1A。当温度在-50℃时，IRL=858mA，误差为14.2%；当温度在-10℃时，IRL=971mA，误差为2.9%。所以对于该1A恒流源电路，实际工作中最好选择在温度为0℃以上，这样能更好保证电流的精度。

2负载接地式恒流源实验电路设计

图4负载接地式恒流源电路

2.1理论分析

设计的负载接地式恒流源电路如上图4，由于集成运放IC1、IC2

输入阻抗极高，可近似为理想运算放大器。在图中，针对集成运放IC1，其反向输入端电压为：

根据叠加定理，可知运放IC1同相输出端电压为：

由于集成运放IC2实际上构成了一个跟随器电路，其目的是为了将输入端与输出端隔离，避

免输入信号对输出产生影响，所以有：

从以上分析可知，该电路输出电流IO与负载RL无关，所以是恒流源电路。如在图中取V1=2.5V，Rf=250Ω，R1=10kΩ，RB=20Ω，晶体管选Q2N3904，即可以得到输出电流为10mA的恒流源电路。

2.2负载特性分析

在ORCAD软件当中建立电路图，选取负载RL为可变负载，变化范围为从0.1Ω到2kΩ，步进为1Ω，进行仿真计算，即可得到流经负载电流IRL的图形。

从图中可知：负载电阻RL在0Ω~1.1kΩ时，输出电路IRL为10mA；当负载为1.5kΩ时，IRL=7.94mA，误差为2%；当负载为2kΩ

时，IRL=6.18mA，误差为3.82%。

所以为保证该10mA电流源精度，负载最好不要超过1.5kΩ。目前，工业过程控制中常用的恒流负载一般在0~750Ω，通过采用该电路，大大增加了负载能力。

2.3电路的温度特性分析

在本电路仿真中，选取负载电阻为250Ω，设置电路工作环境温度分别为-50℃~50℃，在软件中对电路进行温度扫描分析，即可得到电流图形。

从图形中可知，当温度在-50℃，IRL=9.997mA，误差为0.03%；当温度在+50℃时，IRL=9.996mA，误差为0.04%。所以对于该10mA 电流源，温度的影响不大。值得注意的是，同样要用该电路实现一个1A的电流源时，其温度敏感度将大大增强。

3结语

本文介绍了两种简单实用的恒流源电路，分别是负载悬浮型与负载接地型，并在ORCAD/PSPICE16.3软件中分别举例实现了一个1A 的电流源以及一个10mA的电流源，并对电路的负载特性、温度特性进行了仿真分析，结果证明其在一定范围内精度较高，具有很好的通用性。由于恒流源的稳定性主要取决于集成运算放大器以及采样电