黃惠琳，陸小飛，楊羽佳，黃 靜，施 佺

（1.南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇 南通 226019）

0 引言

恒流源是穩(wěn)定電源中的一個(gè)特殊支系，當(dāng)輸入電壓、負(fù)載、工作溫度等在某個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，其輸出電流基本保持不變。恒流源被廣泛應(yīng)用于計(jì)量測(cè)試、科學(xué)研究、通信技術(shù)、LED 照明以及半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）等領(lǐng)域。其中，LD 是一種依靠電流注入作為激勵(lì)工作的器件，注入電流的噪聲會(huì)影響其電子?光子的轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致輸出光功率發(fā)生變化。因此，LD 對(duì)驅(qū)動(dòng)恒流源有高穩(wěn)定性、低噪聲的要求。恒流源作為電子電路和模擬電路中使用較多的電路單元之一，人們一直沒(méi)有停下研究腳步。目前，負(fù)反饋結(jié)構(gòu)是提高恒流源穩(wěn)定性的一個(gè)有效途徑。除此以外，選擇低溫漂的基準(zhǔn)電壓源和采樣電阻等也是提高恒流源性能的有效手段。為滿足LD 對(duì)恒流源高穩(wěn)定性、低噪聲的性能需求，本文設(shè)計(jì)一款基于負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的恒流源電路，在Multisim 軟件中經(jīng)仿真優(yōu)化完成了電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與核心元器件的選型，確定了元器件的參數(shù)值，并設(shè)計(jì)加工了PCB 電路，給出了實(shí)際電路的測(cè)試結(jié)果，具體設(shè)計(jì)與測(cè)試分析如下。

1 恒流源電路設(shè)計(jì)

圖1 為本文設(shè)計(jì)的恒流源電路結(jié)構(gòu)框圖。圖中：線性穩(wěn)壓模塊將外部的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電源電壓，為其他3 個(gè)模塊提供電源；基準(zhǔn)電壓模塊將獲得的穩(wěn)定電壓進(jìn)一步分壓，輸出多路低噪聲基準(zhǔn)電壓提供給電流調(diào)控模塊；電流調(diào)控模塊通過(guò)對(duì)輸入恒流驅(qū)動(dòng)模塊基準(zhǔn)電壓的調(diào)整，達(dá)到控制輸出電流大小的目的；恒流驅(qū)動(dòng)模塊利用負(fù)反饋原理，使作用在采樣電阻上的基準(zhǔn)電壓保持不變，提高輸出電流的穩(wěn)定度。

圖1 恒流源電路設(shè)計(jì)方案

1.1 線性穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的恒流源電路需要兩個(gè)不同的電壓值：5 V 和4 V。其中，5 V 電壓給線性穩(wěn)壓模塊和恒流驅(qū)動(dòng)模塊供電；4 V 電壓為帶隙基準(zhǔn)電壓源、多路復(fù)用器、運(yùn)放等供電，整個(gè)電路對(duì)4 V 電壓的需求多且穩(wěn)定性要求高。為此，本設(shè)計(jì)采用低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)該模塊的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的LDO 芯片型號(hào)較多，功能也不盡相同。在綜合考慮性能、價(jià)格后，本文選擇了美國(guó)微芯公司設(shè)計(jì)的TC1015 線性穩(wěn)壓器，其內(nèi)部集成有超溫和過(guò)電流保護(hù)電路，且輸出電壓噪聲極低，適用于穩(wěn)壓電路。查閱該芯片的產(chǎn)品手冊(cè)可知，TC1015 共有10 種固定的輸出電壓可選，本文選擇其輸出電壓為4 V，得到的線性穩(wěn)壓電路如圖2 所示。

圖2 線性穩(wěn)壓模塊

為降低電路對(duì)PCB 布局的敏感性，在VIN 與GND間接入容值為1 μF 的旁路電容，在VOUT 與GND 間接入同樣容值的旁路電容?？紤]為后續(xù)器件供電時(shí)，電壓在傳輸線中會(huì)產(chǎn)生一些波動(dòng)，在VOUT 與GND 間又接入了容值為0.1 μF 的濾波電容～。電容～不僅可以濾除噪聲，也可以及時(shí)補(bǔ)充器件高速工作時(shí)所需的尖峰電流。

1.2 基準(zhǔn)電壓模塊設(shè)計(jì)

圖3 基準(zhǔn)電壓模塊

圖3 中，AD780BN 提供3 V 的低噪聲基準(zhǔn)電壓，利用電阻～實(shí)現(xiàn)電壓分壓，通過(guò)節(jié)點(diǎn)S～S送入多路復(fù)用器?！鶠槿葜?.1 μF 的濾波電容，濾除基準(zhǔn)電壓電路中可能的噪聲。利用流經(jīng)電阻～的電流均相等，由基爾霍夫電壓、電流定律可知：

式中：U為兩端電壓降2.65 V；U為～每個(gè)電阻的壓降30 mV；U為壓降20 mV。代入式（1）、式（2）后可得：

測(cè)試時(shí)，取=50 Ω，則=4 417 Ω，=35 Ω。

1.3 電流調(diào)控模塊設(shè)計(jì)

為使電流調(diào)控更加便捷，本文在基準(zhǔn)電壓模塊后加入型號(hào)為ADG1606 的多路復(fù)用器。多路復(fù)用器的選擇需要考慮導(dǎo)通電阻及導(dǎo)通電阻平坦度對(duì)輸出信號(hào)非線性失真的影響。本文所選多路復(fù)用器在工作溫度范圍內(nèi)最大導(dǎo)通電阻為7.5 Ω，其構(gòu)成的電流調(diào)控電路如圖4 所示。電路中芯片開關(guān)端口S～S接12 個(gè)不同的基準(zhǔn)電壓，S～S接地，4 位二進(jìn)制地址線（A～A）選擇16 個(gè)單通道輸入中哪一路切換到公共輸出端。

圖4 電流調(diào)控模塊

1.4 恒流驅(qū)動(dòng)模塊

恒流驅(qū)動(dòng)模塊是恒流源電路的核心單元，本文設(shè)計(jì)的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)恒流驅(qū)動(dòng)模塊如圖5 所示。其由低噪聲運(yùn)放U、保護(hù)電阻、采樣電阻、短路保護(hù)開關(guān)K、半導(dǎo)體激光器LD、3 個(gè)電容（～）和2 個(gè)三極管（Q與Q）組成。U的同相端通過(guò)電阻接入來(lái)自復(fù)用器輸出的電壓，反相端接采樣電阻，負(fù)反饋結(jié)構(gòu)使采樣電阻兩端電壓與同相端電壓保持一致，以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于動(dòng)態(tài)平衡。為使采樣電阻兩端電壓保持穩(wěn)定，選擇噪聲低、電源抑制比高的運(yùn)算放大器，本文使用單電源供電的LT1677 型軌至軌運(yùn)算放大器，其可輸出0 至電源電壓。

圖5 恒流驅(qū)動(dòng)模塊

圖5 中，運(yùn)放U同相端輸入電壓由電流調(diào)控模塊的輸出提供，通過(guò)由場(chǎng)效應(yīng)管Q與晶體管Q組成調(diào)整網(wǎng)絡(luò)后，由采樣電阻將采樣電壓反饋到U反相端。將與做比較，調(diào)控U的輸出電壓，進(jìn)一步調(diào)控輸出電流。電路中Q選擇低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管2SK170，Q選擇NPN型晶體管MJE15032，采樣電阻阻值為1 Ω，保護(hù)電阻阻值為10 Ω，容值為1 μF，，容值為0.1 μF。

LD 是一種結(jié)型器件，承受電沖擊能力弱，使用過(guò)程中的電沖擊主要來(lái)自電源關(guān)斷或開啟時(shí)產(chǎn)生的電壓、電流涌浪沖擊，或是外電路帶來(lái)的涌浪沖擊?；诖?，本文將一個(gè)接觸電阻很小的開關(guān)K與LD 并聯(lián)。當(dāng)開關(guān)K閉合時(shí)，由于K電阻很小，此時(shí)K相當(dāng)于短路，電流不會(huì)經(jīng)過(guò)LD，在電路穩(wěn)定工作后再斷開K，LD 開始工作，這種方法可以非常有效地消除電源開關(guān)時(shí)所產(chǎn)生的涌浪沖擊。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 輸出電流相對(duì)誤差測(cè)試

圖6為設(shè)計(jì)的恒流源電路實(shí)物圖，電路尺寸為3.5 cm×3.0 cm，電路板分為上下兩塊極板，通過(guò)四角上的排針相連。上極板的VIN 端接5 V 的電源電壓，下極板通過(guò)杜邦線控制芯片輸出，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電流的目的。

圖6 恒流源電路上極板（左）和下極板（右）實(shí)物圖

設(shè)計(jì)的恒流源可以輸出12 個(gè)不同的電流值。采用六位半數(shù)字萬(wàn)用表Keithley 2000 測(cè)量恒流源輸出值，測(cè)試電路如圖7 所示。測(cè)量的數(shù)據(jù)為直流電壓，根據(jù)歐姆定律將直流電壓轉(zhuǎn)換成直流電流。

圖7 電路測(cè)試照片

輸出電流值與復(fù)用器真值表的關(guān)系，以及測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示，其中相對(duì)誤差是將實(shí)際值與理論值進(jìn)行比較，計(jì)算公式如下：

表1 恒流源輸出電流測(cè)試結(jié)果

由表1 可以看出，除20 mA 以外，其余電流測(cè)試值與預(yù)設(shè)值誤差較小，相對(duì)誤差優(yōu)于1.5%。由表1 結(jié)果分析可知：電流值整體偏小，可以通過(guò)減小阻值或選用更高精度的電阻等對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)；而20 mA 電流值與預(yù)期誤差較大，可增大阻值或選用高精度電阻做進(jìn)一步改進(jìn)。

2.2 輸出電流穩(wěn)定性測(cè)試

在室溫下，利用數(shù)字直流穩(wěn)壓電源、六位半數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)恒流源進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試?？紤]半導(dǎo)體激光器價(jià)格昂貴，參考其推薦用法，測(cè)試時(shí)將2 個(gè)5 Ω 的高精密金屬箔電阻器RJ711 并聯(lián)得到2.5 Ω 的負(fù)載接入電路輸出端，用萬(wàn)用表直流電壓檔進(jìn)行測(cè)量，每隔1 min 記錄1 次恒流源輸出電流，觀察電流穩(wěn)定度，總計(jì)60 min。其記錄結(jié)果如圖8 所示，可以看出，該恒流源連線工作1 h 后，輸出電流仍保持穩(wěn)定。

圖8 輸出電流與時(shí)間的關(guān)系

穩(wěn)定性（）是恒流源性能優(yōu)異的重要指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

式中：是輸出電流平均值；是電流測(cè)試值。計(jì)算得到輸出電流值為20 mA 時(shí)最大，為0.029%；輸出電流值為350 mA 時(shí)最小，為0.007%。可見，恒流源穩(wěn)定性良好。

不同輸入電壓下，電路輸出電流的測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。圖9 表明，該恒流源在3.8～5.5 V 之間輸出的電流穩(wěn)定。

圖9 輸出電流與輸入電壓關(guān)系

2.3 輸出電流噪聲測(cè)試

半導(dǎo)體激光器對(duì)恒流源要求必須是低噪聲的，所以對(duì)所設(shè)計(jì)的恒流源進(jìn)行噪聲大小測(cè)試是非常必要的。同樣采用六位半數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試，負(fù)載仍為2.5 Ω高精度電阻，選擇萬(wàn)用表的直流電壓檔進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試時(shí)，從輸出電流350 mA 按30 mA 遞減至20 mA，每改變一次電流值就記錄電流表上直流電壓檔的示數(shù)。表2 為電流噪聲與輸出電流的關(guān)系。由表可知，該恒流源輸出電流噪聲最大為2.8 μA。

表2 電流噪聲隨輸出電流的變化關(guān)系

表3 中給出了所設(shè)計(jì)的恒流源電路性能參數(shù)與部分已報(bào)道的恒流源電路參數(shù)的比較。由表3 可見，本文電路具有低噪聲的性能。

表3 恒流源電路性能參數(shù)比較

3 結(jié)論

為給半導(dǎo)體激光器提供高穩(wěn)定性、低噪聲的恒定電流，設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)的恒流源電路。此恒流源采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，通過(guò)JFET 將電壓轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)過(guò)JFET 和BJT構(gòu)成的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)輸出穩(wěn)定的電流，并給出了消除電源開關(guān)產(chǎn)生的涌浪沖擊的方法。測(cè)試結(jié)果表明，該電路可在3.8～5.5 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，按30 mA 的步進(jìn)輸出20～350 mA 的輸出電流，電流穩(wěn)定度在0.007%～0.029%之間，噪聲低于3 μA，同時(shí)具有體積小的優(yōu)點(diǎn)。

注：本文通訊作者為陸小飛。