高穩定度恒流源的研究與影響因素分析

黨玉杰，董全林，孫茂多，楊婭姣

(1.教育部微納測控與低維物理重點實驗室，北京100191；2.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

高穩定度恒流源的研究與影響因素分析

黨玉杰1，2，董全林1，2，孫茂多1，2，楊婭姣1，2

(1.教育部微納測控與低維物理重點實驗室，北京100191；2.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191)

以一款穩定度為2×10－6/min串聯補償型透射電子顯微鏡物鏡恒流源為例，研究其原理設計，建立系統傳遞函數，通過討論各影響因素與相對電流變化之間的關系，分析了恒流源的內部因素和外部因素對電流穩定度的影響，得到直接影響因素是基準電壓的穩定性、采樣電阻的變化及放大器自身參數的變化，間接影響因素是調整管的自身參數變化、放大環節的電壓增益變化、主回路輸入電壓的波動、負載電阻的變化，為開展恒流源的高穩定度設計提供了理論依據。

恒流源；高穩定度；影響因素；傳遞函數

恒流源是指能夠向負載提供恒定電流的電源，高穩定度的恒流源是電子顯微鏡、粒子加速器、質譜儀以及β譜儀等現代儀器中產生穩定磁場的核心電源系統之一，應用領域十分廣闊[1-2]。應用于透射電子顯微鏡的恒流源主要為磁透鏡提供激勵電流。為提高透射電子顯微鏡的性能，滿足其高分辨率的性能指標，要求恒流源的電流穩定度是非常高的，通常為10－5～10－6/min。其中物鏡是透射電子顯微鏡成像系統的第一個透鏡，由其造成的像差會被中間鏡與投影鏡繼續放大，所以物鏡恒流源的穩定度是最高的。

目前，高穩定度的透射電子顯微鏡物鏡恒流源通常采用串聯補償方式設計。串聯補償型恒流源是一個閉環反饋控制系統，依靠與負載串聯的調整管內阻變化來補償輸出電流的變化[3-5]。影響其輸出電流穩定性的因素可歸為兩部分：一是構成恒流源的內部因素，基準電壓、采樣電阻、放大和調整環節；二是恒流源所處的外部因素，輸入電源電壓、負載電阻和環境溫度的變化[6]。

本文以一款穩定度為2×10－6/min的串聯補償型透射電子顯微鏡物鏡恒流源為例，研究其工作原理，建立其系統傳遞函數，討論上述各影響因素對輸出電流穩定度的影響，為高穩定度恒流源的研究設計提供了理論依據。

1 物鏡恒流源的工作原理

本文討論的透射電子顯微鏡物鏡恒流源的原理如圖1所示，主要由基準電壓、差分放大電路、反向放大電路、電流輸出前置驅動、電流輸出功率模塊、負載線圈、采樣電阻以及相關的補償和保護電路組成。

差分放大電路用于放大基準電壓與采樣電壓的差值信號；反向放大電路用于進一步放大差值信號，從而驅動電流輸出前置驅動工作；電流輸出前置驅動由調整管T1和T2構成，進一步放大電壓信號；電流輸出功率模塊由大功率調整管T3和T4～T35構成的并聯擴流電路組成，可獲得所需的大強度電流，并使單個調整管的負荷減少，繼而降低其熱效應；采樣電阻與負載串聯，對物鏡恒流源的輸出電流采樣，然后轉換為電壓進而作為差分放大電路的反向輸入端；是經過整流濾波穩壓后的主回路輸入電壓，作為物鏡恒流源的功率來源。

圖1 物鏡恒流源的原理圖

圖2 物鏡恒流源的結構框圖

結合圖2所示，系統的閉環傳遞函數為：

2 影響物鏡恒流源穩定度的因素

2.1 內部因素

2.1.1 基準電壓

由式(4)可知：電流的相對變化與基準電壓的相對變化量成正比，所以基準電壓是影響物鏡恒流源輸出電流穩定度的重要因素。基準電壓穩定度的大小是物鏡恒流源穩定度的極限。因此，如果要得到高穩定度的物鏡恒流源，必須設計出穩定度更優的基準電壓。

2.1.2 采樣電阻

在該反饋型物鏡恒流源電路中，采樣電阻與負載串聯，并由此檢測電流的變化，其穩定性會影響到物鏡恒流源的穩定度[2，6-8]。由式(3)對求微分，化簡得電流的相對變化為：

式(5)中的負號表示等式兩邊的變化方向是相反的，并且采樣電阻的相對變化量直接影響物鏡恒流源輸出電流的穩定度。

2.1.3 放大器

放大器的輸入失調電壓、輸入失調電壓溫漂、輸入失調電流、輸入偏置電流、輸入失調電流溫漂、等效噪聲電壓等自身參數的變化會使其輸出產生中點偏移，可以將其視為放大器的RTI誤差，即相當于在放大器的輸入端疊加了一個誤差電壓Δ[9]，如圖2所示。當放大器輸入端疊加Δ時，物鏡恒流源的輸出電流為：

由式(7)可知，放大器自身參數的變化對物鏡恒流源穩定度的影響是直接的，沒有因閉環而衰減。若基準電壓變大，則Δ的影響會相對減小。

2.1.4 調整管

放大器將采樣電阻取來的電壓信號與基準電壓比較放大，放大后的信號通過控制調整管，以穩定輸出電流，因此，調整管自身參數的變化會影響恒流源的穩定度。

調整管的基極-發射極電壓、集電極-發射極電壓、直流電流放大倍數等自身參數與工作溫度密切相關，當溫度改變時，這些參數會發生變化，調整管的輸出會發生相應的變化，這相當于在電流輸出前置驅動的輸出端加了一個干擾Δ，如圖2所示。當有干擾Δ時，傳遞函數是：

2.1.5 放大環節

物鏡恒流源的放大環節由差分放大電路、反向放大電路、電流輸出前置驅動和電流輸出功率模塊組成，其電壓增益為各部分電壓增益的乘積。電壓增益的變化會影響物鏡恒流源的穩定度。

將式(11)代入式(10)，化簡得電流的相對變化為：

2.2 外部因素

2.2.1 負載電阻

故電流的相對變化為：

2.2.2 主回路輸入電壓

主回路輸入電壓的波動并不直接影響物鏡恒流源的輸出電流，而是通過調整管間接作用的，等效為在電流輸出前置驅動模塊的輸入端加一個干擾Δ。如圖2所示，當有Δ干擾時，系統的閉環傳遞函數是：

2.2.3 溫度

3 結束語

本款物鏡恒流源的穩定度為2×10－6/min，研究了其設計原理，通過建立其傳遞函數模型，從理論上推導出影響恒流源輸出電流穩定度的直接因素：基準電壓的穩定性、采樣電阻的變化及放大器自身參數的變化；間接因素：調整管的自身參數變化、放大環節的電壓增益變化、主回路輸入電壓的波動、負載電阻的變化。

在直接影響因素中，放大器自身參數的變化對物鏡恒流源穩定度的影響與基準電壓的大小有關，越大其影響就越小，同時降低了對放大器增益、輸入電阻、漂移和低頻噪聲等指標的要求。但是恒流源的無用功耗增加會帶來熱穩定性差等一系列新的問題。因此，實際中基準電壓的取值必須綜合考慮，同時兼顧放大器的選擇。間接影響因素對電流穩定度的影響均與電路的放大倍數有關，電路的放大倍數越大其影響越小，但是放大倍數太大電路容易產生振蕩，必須結合電路具體技術指標綜合考慮。另外由于電路的輸出電流大，電流功率放大模塊的功耗就比較大，單個調整管無法承擔如此大的功耗，調整管的并聯均流和散熱均勻就顯得至關重要。

基準電壓、放大器以及采樣電阻的溫度系數共同決定了恒流源受溫度的影響程度，在實際設計電路時要選擇溫度系數合適的器件，同時采取相應的降溫和散熱措施，盡可能使物鏡恒流源的溫度系數小。

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圖5 蓄電池充電過程(仿真)端電壓

利用薄膜太陽電池和本控制系統對20 Ah的鉛酸蓄電池(DC 48 V)進行充電，測得不同時刻蓄電池的端電壓柱形圖，如圖6所示。

圖6 蓄電池端電壓不同時刻觀測值

由圖6可知，蓄電池在整個充電過程并不呈線性關系(恒流輸出特性)，其中在13：30左右，電壓上升較快，說明電流較大，這與此時段陽光輻射最強的實際情況是相吻合的。從時間上看，四個半小時充電就能結束，這與蓄電池的容量(20 Ah)基本吻合。在充電后期，蓄電池端電壓仍大幅增加且整個充電過程的變化率無太大變化，結合圖1可以判定整個充電過程的電流為間歇性大電流，且第二階段的太陽電池工作在最大功率輸出點附近，從而實現了快速充電，且有效延長了蓄電池的使用壽命。

5 結論

本文提出了一種單片機控制的，始終處于脈沖式充電方式下的光伏智能控制系統，有效避免了蓄電池的極化和硫化，延長蓄電池使用壽命。因整個充電過程的光伏電池輸出電壓在80%以內，則充電電流較大以實現快速充電。在第二充電階段，因光伏輸出電壓在開路電壓的80%左右，故只要環境變化不甚惡劣，光伏電池可工作在最大功率輸出點附近。因此，該光伏充電控制系統能在晴朗的白天把握好陽光并充分利用，從而實現了快速充電。

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Research of high stability of current-invariable power supply and analysis of its factors

With the object lens current-invariable power supply for TEM in a compensatory series with the high stability of 2×10－6/min as example，the principle and design were researched，and the transmission function is set up. The relation between the affecting factors and changes of the relative current was discussed. The effect of internal and external factors on the stability of current was analyzed. The direct factors are the stability of the reference voltage， the change of the sampling resistor and the amplifier parameters.The indirect factors are the instability of the transistors，change of the amplification’voltage gain，input power supply fluctuation and change of the load.It provides the theoretical basis for the design of high stability current-invariable power supply.

current-invariable power supply;high stability;factors;transmission function

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0865-04

2015-09-02

國家科技支撐計劃(2006BAK03A24)

黨玉杰(1987—)，女，河南省人，碩士研究生，主要研究方向為高穩定度恒流源。

董全林，E-mail:dongquanlin@buaa.edu.cn