基于温度补偿的高温度高精度稳定性恒流源

在模拟电路中通常包含基准源，基准源在许多系统电路里都是关键部件，其电气特性可以直接影响到整个系统的电气特性。在电路设计中，工程师们通常都需要一些温度稳定性好、输出电流大、精度高的恒流源。这些特性的恒流源，往往对电路中电阻的精度要求和温度系数的要求很高，这对一次集成技术来说是一个难题。而采用混合集成薄膜工艺生产的电阻能很好地达到电路系统的要求，使用混合集成工艺技术对扩流效果也有很好的帮助。本文就是采用混合集成技术，设计了一款具有高温度稳定性和高精度的恒流源。　　

1 工作原理

恒流源是由电压基准、比较放大、控制调整和采样等部分组成的直流负反馈自动调节系统。恒流源的设计方法有多种，常用的串联调整型恒流电源原理框图如图1所示。

主要包括调整管、采样电阻、基准电压、误差放大器和辅助电源等环节。通过采样电阻将输出电流转换成电压，然后与基准电压进行比较，比较放大后的信号推动调整管对输出电流进行调整，最后达到输出电流恒定。　　

2 电路设计　　

2.1 电压-电流转换设计　　

电压-电流转换是恒流源的核心。最基本的恒流源电路如图2所示。　　

图2中工作电源电压作为电压输入信号，运放担任比较放大的作用，Q1控制调整输出电流Io。Vref为基准电压，它可以是任何一种电压参考源，R0为采样电阻；Vref耐为基准电压；Vr为运放反相端电压；Vo为运放输出电压。根据运放的基本原理，有：

上式表明：输出电流由基准电压Eg和采样电阻Rs决定。　　

当输出电流Io有任何的波动时，Vr=VCC-IoRS就会有相应的变化，△V=Vr-Vref经过运放调整三极管的输出电流并使之恒定。　　

由此可知，要想获得一个稳定的输出电流Io，必须要提供一个高精度的基准电压和高精度采样电阻。又由于运放在调整控制过程中的作用，运放的增益直接影响输出电流的精度，高增益和低漂移的运放是必要的选择。　　

存在的问题：由于采样电阻与负载串连，流过的电流通常比较大，因此局部温度也会随之上升，导致元器件温度上升，恒流源的温度稳定性变坏。其次，恒流电源的输出电流全部流过调整管，因此调整管上的功耗也很大，必须选择大功率的晶体管，然而大功率晶体管需要较大的基极驱动电流，对运放有较高驱动能力的要求。再次，双极型三极管的漏电流和电流放大系数对温度比较敏感，温度稳定性较差。还有，电压-电流变换器使用的负反馈闭环控制，电流稳定度与放大器放大倍数有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数关系。例如，若要求电流源的稳定度要达到小于10-4，则放大器的放大倍数要大于一万倍。运方的温度漂移和失调对电路的精度和温度稳定性有很大的影响。　　

要解决上述问题，需要对电路的控制调整部分进行改进。改进后的电路如图3所示：

用PMOS-PNP复合管来代替原来的PNP管。小信号等效模型如图4所示：

小信号等效分析表明：复合管等效为PMOS管，它的跨导为(β+1)gm／(1+gmhie)，输出电阻为RDS(1+gmhie)／(β+1)，输出电阻与PMOS管近似。PMOS管具有较小的栅极电流和较大的漏极电流，能给三极管提供较大的基极电流。满足了运放的驱动压力要求，使运放不需要过大的驱动能力，电路就能正常工作。PMOS管具有温度稳定性好、噪声低的特点，弥补三极管的不足，有助于提高恒流源的温度稳定性。　　

选用的运放应该有较高的增益，较低的输入失调电压和失调电流，以及低温漂和低噪声电压。在实际的版图设计时，减小局部区域功率密度，对整体温度系数的降低也能起到很好的作用。

2.2 电压基准设计　　

基准源类型较多，常见的有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙基准源。3种基准源的优缺点如表1所示。根据恒流源电路的要求和特点，这里选择使用隐埋齐纳二极管组成电压基准电路。为了进一步提高基准电压高稳定性，采用如图5所示的电路结构。　

如图5所示，流过隐埋齐纳二极管的电流：

电阻R1，R2和R3是采用同一种工艺在同一个基片上制作的，具有相同的温度系数等性能参数，R1／R2不随温度变化。因此，通过选择合适的R1，R2和R3电阻值，就能使隐埋齐纳二极管工作在稳定的状态、输出稳定的电压。当输出电压VZ出现任何波动时，这种变化经过误差放大器放大后控制调整复合管的电流，进而调整隐埋齐纳二极管的电流，使VZ从新回到先前的稳定状态。

2.3温度补偿及采样电阻的设计　　

在先前的电路设计中，采取了提高温度稳定性的一些措施。随着使用环境的变化，对温度稳定性的要求越来越高，为了进一步提高电路的温度稳定性，目前普遍采用的是恒温槽温度控制和局部温度控制。温度控制需要附加的电路和器件，增加了电路的体积和功耗以及成本。