恒流源实验电路的设计

1、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。Caden

2、ee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

3、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二RL，放置参数元件PARAM，并在其属性中增加一

4、行RL=1.5愆保持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0.1Q到10Q,步进为0.1莒进行仿真计算，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07.5Q时，输出电路IRL为1A，当负载为9Q时,IRL=985.6mA，误差为1.44%;当负载为10Q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08Q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

5、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=1.5Q,功率2W,设置电路工作环境温度分别为-50C50C，步进为1C,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-50C0C时，输出电流IRL随温度近似线性增长；当温度在OC50C时，输出电流IRL=1A。当温度在-50C时，IRL=858mA，误差为14.2%;当温度在-10C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0C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

6、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=250Q,R仁10kQ,RB=20D,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0.1Q到2kQ,步进为1

7、Q,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0Q1.1kQ时，输出电路IRL为10mA;当负载为1.5kQ时，IRL=7.94mA,误差为2%;当负载为2kQ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1.5k专目前，工业过程控制中常用的恒流负载一般在0750Q，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250Q,设置电路工作环境温度分别为-50C50C，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-50C,IRL=9.997mA，误差为0

8、.03%;当温度在+50C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阻，所以在实际应用当中要注意选择高精度的运算放大器芯片(如OP07等)以及温漂小的电阻(普通电阻的温漂系数大约在0.05%/C以上，此电路中R可选取温漂系数为5XlO-4%/C的电阻)，要根据电流的大小选择合适的晶体管或场效应管3。目前，该两种电路已分别在某工业控制产品中得到了应用，通过在实验项目中引入这两个电路，让学生得到了训练，了解了恒流源电路的原理及应用特点。参考文献凌向虎.自制恒压恒流电源在物理实验中的应用J.物理与工程，2008,18