恒流源在高精度数字多用表中的设计与实现

XU Meng, LI Zhi （Department of Electronic Engineering,Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004,
Guangxi, China）
Abstract: Constant current source with high stability is designed for the resistance measurement function of highprecision digital multi-meter. By analyzing the typical constant current source circuit structure and working principle and some key factors impacting on the constant current source accuracy, constant current source 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. Key words：constant current source, voltage reference, sampling resistance
准参考电压 6.95V，因而在电阻 R202 上产生一个稳
定的电压，流过 JFET Q201 源极端的电流 I1 为：
I1=VS/R202
（2）
又因为 JFET 的漏极电流和源极电流相等，故流
入电阻 R9 上的电流和 I1 相等，所以电阻 R9 上的压降
Vref 为：
Vref=I1×R9=
VS R202
CR201
R +18V 1.78k
BZX84C4V7LT1G
AD706
图 4 恒流源电路设计原理图
Fig.4 Constant current source schematic circuit
调整管 Q202 组成恒流源的末级输出电路。采样电阻 RS 材料类型的电阻。精密金属膜电阻的温度系数和时效
由 R5、R6、R7、R8 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。
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，因此具有高的输入阻抗、低输入偏置电流，
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[3]。采样电阻 RS 两端
的电压等于基准电压 Vref，所以输出电流 IL 为
IL = Vref /RS
（1）
H
-4
2-
图 3 LM399AH 内部功能结构图 Fig.3 The internal functions structure of LM399AH
采样电阻，从而控制不同的恒流源电流输出。Q202 为 P 本电路的关键电阻选择精度为 0.1%，温度系数 5ppm/℃
沟道 JFET 2SJ103,其栅源漏电流最大为 1nA，对电流 的精密金属膜电阻。
的输出影响可以忽略。由虚短定理，同相端和反相端
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4
8
+
2 DS 1
ÁÂÃÄÂÃÁÅÆÇÉÈÂÃÁÄ 总第46卷第521期
2009 年 第 05 期
电测与仪表 Electrical Measurement &Instrumentation
G3
Vol.46 No.521 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，JFET 是压控型
LM399 内部自带恒温加热器，能够改善温度漂移
T1
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。
R
+3
1+
图 2 负载接地型的基本恒流源电路 Fig.2 Constant current source circuit of grounding
load
图 2 中，VCC 为电源输入电压，也为运放提供工作
价值。
关键词：恒流源；电压基准；采样电阻
中图分类号：TM933.1；TH89
文献标识码：B
文章编号：1001-1390（2009）05-0072-04
Design and Realization of Constant Current Source in the High-Precision DMM
第一部分电路为恒流接收器[5]，因为有电流 I1 流 过电阻 R9，经过 N 沟道型的 JFET Q201, 流入电流检测 电阻 R202，形成了电流流入接地方向的恒流电路。设
计中 LM399 采用双电源±15V 供电，1 脚输出基准电
压 VS 等于 6.95V。电阻 R1 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
VCC
I Rs
ÂÃÄV ÁA Vo
晶体管的发射极电流约等于集电极电流，流过负 载 RL 的电流等于 IL。
由式（1）可知，恒流源的精度与基准电压源 Vref 和采样电阻 RS 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 β 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
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 的栅级没有电流流入，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。
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 Q201 等构成恒流接收 器[5]；第二部分有运放 U201B、JFET Q202、采样电阻（R5, R6,R7,R8）等构成恒流源电流输出电路。
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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[2]。
0引言 恒流源在仪器仪表、电子设备及高新科学技术中
属于一个重要的部件。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—电压(R-U)转换电路，即采用恒流源的方法[1]。 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
×R9
（3）
由式 （3），推出在电阻 R9 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。
第二部分电路由运放 U201B 与采样电阻 RS 和
CR203
+18V
R
RR
R R BZX84C5V1LT1G
28k
5k 50k 500k 1M
AGND1
C408
U403
0.1u
-15V 4 H- + 1
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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wenku.baidu.com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
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
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 计一个有 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[4]。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/℃；动态 电阻小，最大 1Ω；噪声电压有效值最大 20μV；初始 精度 2%。
+15V 3 H+ - 2
C407 0.1u
AGND1 LM399
+18V
3 2
C218
47u C212
AGND1 0.1u
U201A 13 G
AD706
SS
Q MMBF4392
SS
Q
1
2SJ103 DS
2
IL R
AGND1
R
AGND1
7.5k
AGND1
C210
R 39k
AGND1
220PF
6
5
U201B 7
电压；Vref 为基准电压源；RS 为采样电阻；RL 为负载电
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 IL 流过采样电阻 RS 把电压反馈到运
放的反相输入端，当负载 RL 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 VO 去控制调
整管 T1，从而维持输出电流恒定。
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[1]。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
Á
R
图 1 反馈型恒流源的结构框图 Fig.1 Feedback-based constant current source 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[2]。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。
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