基于XTR110的高精度恒流源設計

徐 英 劉新峰 張 濤 蔣 偉

(天津大學電氣與自動化工程學院,天津 300072)

恒流源是指能夠向負載提供恒定電流輸出的電源，理想的恒流源應該具有3個特點：輸出不隨負載變化而變化；不因環境溫度變化而變化；內阻無限大。一般來說，按恒流源的組成器件不同，可分為晶體管恒流源、場效應管恒流源和集成運放恒流源3類。

集成運放恒流源相對晶體管和場效應管恒流源來說，其受溫度影響較小，穩定性和恒流性也更好。尤其在負載一端接地和大電流的場合中，集成運放恒流源的效果更為突出。目前市場上較為成熟的恒流源產品的輸出雖然可達毫安到百安量級，但是通常對于實際應用電路要求的輸出電流、穩定度及精度等性能指標卻很難滿足，仍需要進行一定的優化設計[1～3]。

XTR110是美國Burr-Brown公司推出的一款精密電壓/電流轉換芯片，其專門為模擬信號傳輸而設計，具有較高的性價比。利用XTR110可以將0～5V及0～10V等范圍的電壓信號高精度地轉換為0～20mA、4～20mA、5～25mA或者其他范圍的常用輸出電流信號。除此之外，XTR110本身還可以提供精密的10V參考電壓輸出用于驅動外部電路。該芯片內部由精密電阻網絡模塊、電壓/電流轉換模塊、電流/電流變換模塊和精密10V電壓基準模塊組成。由于它利用電流進行信號傳輸，所以能有效克服長線傳輸過程中環境對測試的影響，從而使其性能有所提高。XTR110的應用范圍十分廣泛，由于其出色的性能指標，可以被用于各種需要信號傳輸的場合，特別適合于工業控制領域中標準表、壓力及溫度等信號的輸出采集，以及控制信號遠傳等復雜的環境[4]。

1 XTR110的工作原理①

XTR110是雙列直插式16引腳的集成芯片，其內部結構和常用的0～10V輸入、4～20mA輸出典型電路如圖1所示。

XTR110典型電路具有以下幾個主要特征：

a. 4～20mA發送器；

b. 輸入電壓可選0～5V或0～10V；

c. 輸出電流可調0～20mA、5～25mA或者±200mA等；

d. 最大非線性0.005%，典型值為0.002%；

e. 精密參考電壓源輸出10V±0.02V；

f. 使用單電源供電，供電電壓范圍為13.5～40.0V。

芯片內部采用激光調阻工藝保證生成的精密分壓網絡能將VIN1(滿度為10V)、VIN2(滿度為5V)和VREFIN(用于補償與調整)3個輸入電壓加到精密高增益放大器A1的不可逆輸入端。根據疊加原理，可以得到左側放大器A1的輸入電壓為：

(1)

圖1 XTR110典型電路

其中，VA1為放大器A1的輸入電壓；VIN1、VIN2和VREFIN分別為3個輸入端的電壓信號。

代入其內部數值計算可得：

(2)

假設Rspan為Q1上發射極與公共端(地)之間的阻抗，其端電壓VRspan=VA1。則流過三極管集電極的電流為：

(3)

其中，Ic和Ie分別為三極管集電極和射極電流；Rspan為發射極與公共端(地)之間的阻抗；VRspan為Rspan上的電壓。

對右側放大器A2分析可知VR8=VR9，進一步可推導出：

(4)

聯立上述公式，可以得到實際輸出電流的計算公式為：

(5)

2 典型輸出組合

通過分析式(5)可以看出，調節Rspan、VIN1、VIN2和VREFIN可以組合多種不同的電流環輸出模式(表1)。

表1 不同電路輸出模式組合

3 擴展80mA實現方案

在一些特殊環境中，會需要用于加熱的大電流輸出(如在恒流式熱式流量計設計中，高精度、穩定、較大的電流輸出是十分重要的參數)，通過使用XTR110搭建精度達0.1%的80mA恒流源，可用于對熱式流量計鉑熱電阻探頭的加熱[5]。方案設計要求：

供電電壓 24V

輸出電流 80mA

恒流源設計精度 0.1%

3.1 電路設計

根據式(5)，若使用內部電阻R8，由于其阻值為50Ω，電流放大系數僅為10倍，最大輸出電流Iomax=40mA。在擴展大于40mA以上電流時，需使用外部電阻。斷開引腳1和13，在引腳13和16之間接入電阻R1，阻值為10Ω，則電流放大倍數擴大為50倍，輸出電流為：

(6)

輸入電壓源的選取要考慮到電流源的精度、溫漂、穩定性及噪聲等因素的影響，根據測量誤差理論，對于只有兩項誤差的情況，當其中一項誤差不大于另一項的三分之一時可以忽略，因此要求電壓源精度要小于電流源設計精度的三分之一才能滿足設計要求。設計中選取MAX6350CSA基準電壓芯片，精度可達±0.02%，采用XTR110所提供的10V電壓供電，電路設計原理如圖2所示。

圖2 80mA恒流源電路設計原理

取VIN2=+5V，VIN1和VREFIN接地，可以計算出，輸出電流為80mA時，Rspan為：

(7)

三極管負載電阻Rspan恰好等于內部電阻R6，即理論上只需將引腳8和10懸空，引腳9接地即可輸出80mA。但是，具體電路設計和參數確定時，需要考慮以下特殊因素：芯片內部集成的所有電阻均為薄膜電阻，采用激光調阻工藝可以保證R8/R9=10，但其絕對阻值均存在最大±20%的誤差，即R8=500±100Ω,R9=1562.5±312.5Ω。此時，電流放大比例系數R8/10已經改變，不再是50倍；而且R6=Rspan也不再成立，不能直接利用R6。

因此，將引腳9和10懸空，直接在引腳8上外接調流電阻。出于減小溫漂與提高穩定性的考慮，選擇低溫漂、高精度電阻。但是可調電阻的精度和溫漂性能都不是特別理想，所以將外接調流電阻分為高精度、低溫漂固定阻值電阻R2和可調電阻VR1兩部分，同時盡量增大R2，減小VR1。

取R2=1.4kΩ,VR1=300Ω。即R2+VR1在1562.5Ω±10%范圍內可調，從而保證當R8在500Ω±20%范圍內變動時，Io在80mA±10%范圍內可調，通過P溝道MOS管Q1輸出。

3.2 負載分析

從上述電路分析中可以看出，該恒流源的帶負載能力受電源電壓影響。在本方案中，電源電壓24V，其電壓降主要分布在外部拓展精密電阻R1兩端的UR1、晶體管Q1兩端的UQ1和負載RL兩端的URL。由于晶體管源極與漏極之間的壓降較小，而流過R1和負載RL的電流均為80mA，故理論認為RL在0～290Ω范圍內，但實際中，負載的大小應比此值范圍略小。

4 試驗驗證

對搭建的恒流源進行測試，使用六位半高精度臺式萬用表測量，串聯負載電阻，調節電流輸出至80mA，供電電壓23.988V。

4.1 精度試驗

剛上電時，測量電流初始值為79.993mA，待電流完全穩定后測量為79.973mA，則可得恒流源精度為：

(8)

試驗計算結果高于0.1%的設計精度。

4.2 穩定性

為了實時記錄大量精確數據，利用萬用表的串口與計算機連接，通過上位機VB程序實時讀取測量電流值。

從表2可以看出，在恒流過程中，負載電阻RL從0Ω增大至270Ω，但通過負載電阻RL的電流始終維持在80.010±1.64×10-6mA范圍內。

綜上所述，本設計方案中恒流源的精度和穩定性都較高，滿足精度0.1%的設計要求。

5 結束語

利用XTR110搭建的恒流源可以滿足熱式流量計設計中的高精度及高穩定性等要求，在80mA設計方案中，負載在0～270Ω范圍內，恒流源的精度可達0.1%以上。本設計方案結構簡單、可靠性高，已在熱式流量計的研究中得到了應用。

表2 恒流源試驗數據

[1] 弭寒光,袁海文,郭鑫,等.獨立電源系統有源濾波器測控系統自動定制技術[J].南京航空航天大學學報,2011,43(S1):70～75．

[2] 秦玲,賴青貴,張良,等.基于運算放大器的壓控恒流源[J].強激光與粒子束,2010,22(3):553～556．

[3] 趙娟,曹科峰,曹寧翔,等.HL80型低紋波系數大電流程控恒流源研制[J].強激光與粒子,2010,22(4):807～811.

[4] 王牧之,王君艷.反激式高頻變壓器的分析與設計[J].現代電子技術,2011,34(8):157～160.

[5] 許宜申,顧濟華.一種高精度恒流源電路設計與實現[J].儀器儀表學報,2008,29(4):725～727.