华南理工大学微电子研究所 李盛峰 姚若河 李斌

    引言

    恒流源是模拟电路中的重要组成部分,它可以用作偏置、控制或驱动电路。传统电流镜电路通过调整偏置电阻大小来改变恒流源特性,单凭手动改变可变电阻的大小,在一些要求非线性、高精度、快速反应的场合难以实现精确控制,而且不能在功耗和性能之间取得平衡。此外,传统电流源很容易受到温度、电源电压等因素的影响。而采用微处理器能克服上述缺点,进行自动控制和手动监控,大大提高系统的精确度和反应速度。本文介绍的是用AT89C51控制的恒流源电路,它具有外部电路简单、干扰较小、价格低廉等优点。该系统是一种数字式的电压控制电流源,可以实现非线性控制,并且在自动调整、精确控制等方面有广阔的应用前景。 系统概述

    本系统由单片机、小键盘、DAC、电压控制电流源几部分组成。设计中采用的是ATMALAT89C51芯片,它有4个输入和输出口,分别为P0、P1、P2、P3。下面仅以P1口为例来说明系统原理。从4×4小键盘输入一个0～255的数值,单片机从P0口得到键码加以识别并转化成数字信号,在P1口输出对应的8位控制码,经过一个8位的DAC,转换成模拟电压。这个电压再经过电压控制电流源,实现恒流。

    当系统需要更高精确度时,可以通过增加锁存器和模拟开关,对控制码进行锁存,同时换用更高位数的DAC即可。

    硬件基本组成

    电压控制电流源的设计

    设计中采用的是线性电源,受控源可以用运算放大器来实现,如图1所示。这种电流源不受Vcc和Vee的影响,甚至在Vcc和Vee不对称的情况下,仍保持良好的线性关系。

    在图l电路中,同相端电压U3,和反相端电压U2相等,那么：

    流过负载的总电流I0为：

    由于R3R4+R5,R1=R2,最后整理得：

    
 
    电流Iout是一个与负载无关的量,它的大小取决于输入电压Vin,可知其具有受控恒流特性。
电压控制电流源电路具有如下几个特点：

    1．当Vin>Vcc时,Vin对电流源不起控制作用,这是由运放本身固有特性所决定的。如果要增大调节范围,就必须提高运放的Vcc和Vee。

    2．R5的数值与电流大小有关,但不是式(4)给出的那种线性关系。当R5减小到一定数值的时候(如R5=50 Ω),电压控制恒流源的最大电流达到负载最大电流(当Vin=Vcc时,Iout=Iout,max),而且Iout动态范围会变小。R5每减小一半,动态范围就缩小一半。当R5=0Ω时,电压控制恒流源的电流为负载最大电流(Iout,max),不随输入电压Vin变化。

    3．R1影响恒流源起始电流的大小(即Vin=0V时),当R1=1MΩ 时,起始电流为0mA;R1=1.6MΩ,起始电流为6.2mA;R1=1.9MΩ时,起始电流为14.2mA。故为避免零点漂移,应使R1在1MΩ左右。

    4．R4也影响起始电流的大小,当R4>1MΩ时,R1起主要调节作用。

    5．R3的变化影响调节的范围,如R3=300KΩ时,可调的电压为5V～10V。

    三极管构成VCCS的电流大小与工作偏置电压直接相关。当Vcc改变的时候,流入负载电阻的电流会随之发生改变,而且其输出电阻较小,这些因素使得VCCS的工作特性变差。由于每个三极管的伏安特性并不完全一致,其放大倍数β也不完全相同,三级管的参数也会随温度变化,致使最后的恒流特性差异更大。此外,电流比较大时,三极管功耗非常大,使得电路效率不高,容易烧坏三极管。

    这个系统使用运算放大器搭建VCCS,由于运放有差分对输入,可以抑止共模信号,对温度漂移有良好的抑制作用,有利于减少干扰。另外,恒流源的工作电流与Vcc、Vee无关,只与和它构成反馈的电阻阻值有关。运算放大器的放大倍数差异并不会影响其最终的恒流特性,稳定性较好。