CN105278610B - 一种压控电流源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控电流源电路，它涉及电子线路和压控电流源领域；运算放大器A1输出端串接采样电阻R_s1后输出，采样电阻R_s1两端电压通过运算放大器A2和A3、电阻器R₇、R₈和R₉连接为信号放大电路，放大电路的采样电阻R_s1输出侧放大输出V₄通过电阻器R₄与运算放大器A1的正输入端相连，放大电路的R_s1的运算放大器A1侧放大输出V₂通过电阻器R₂与运算放大器A1的负输入端相连，运算放大器A1的正、负输入端还分别连接分压电阻器R₃和R₁。它通过运算放大器电路实现，在典型运算放大器实现的电流源电路基础上，通过增加放大将输出回路中的电流采样电阻上的压降放大后反馈到运算放大器的输入端，降低了采样电阻的压降和功耗，增大了压控电流源的输入电压范围。

Description

一种压控电流源电路

技术领域

本发明涉及到电子线路和电流源领域，更具体地讲，涉及一种压控电流源电路，主要完成电压到电流的转换，实现压控电流源的功能。

背景技术

压控电流源或者程控电流源是电气测量、计量校准、电气试验不可或缺的仪器设备，在工矿企业、实验室得到广泛应用。

在需要较大功率的电流源电路中，普遍采用场效应管、达林顿管等功率器件实现电压到电流的转换，且多采用开环的控制方式，因此，其精度较低。在电子电路的小功率应用场合，经常使用运算放大器、稳压电路器件实现，电路连接成闭环控制方式，因此，这种电路精度高，但输出电流和功率相对较小，其闭环控制的电流采样电阻在大电流时功耗较大，输入电压大小及调节范围均很小。

由运算放大器实现的典型压控电流源电路如图1所示。假设图中运算放大器A1的输入端虚地的电压为V_g，流经输出采样电阻R_s的电流为I_o，则有如下的方程式：

V_g=R₁V_t/(R₁+R₂)

(V_i-V_g)/R₃=(V_g-V_o)/R₄

V_t-V_o=I_oR_s

取R₁/R₂=R₃/R₄=K，并消除V_g得到：

V_i = KR_sI_o

即图1所示电路的输出电流与其输入电压成正比，可见此电路就是一种压控电流源。

由于输出电流直接流经采样电阻R_s，当输出电流较大时R_s上的损耗和发热就成为问题，若选择阻值很低的采样电阻时，在输出电流较小时，其输入电压V_i值也较小，在组建程控电流源或者与其他电路连接时，输入电压V_i的传输电压幅值、变化范围也均较低，容易受到噪音的干扰。

发明内容

为了解决上述技术问题，降低采样电压幅值及其电阻的损耗，提升控制电压的电压水平，本发明提供了一种压控电流源电路，具体方案如下所述。

一种压控电流源电路，包括运算放大器A1、A2、电阻器R₁、R₂、R₃、R₄和采样电阻Rs₁；所述运算放大器A1的正输入端与所述电阻器R₃一端连接，所述运算放大器A1的负输入端和电阻器R₁一端连接；所述运算放大器A1的输出端串接所述采样电阻Rs₁后作为电流源电路输出端子，所述电阻器R₃的另一端作为压控电流源电路的电压输入端，电阻器R₁的另一端接地，其重点改进在于，所述电路还包括一运算放大器A3和电阻器R₇ 、R₈ 、R₉，所述运算放大器A3的负输入端分别与所述电阻器R₇、R₉的一端连接，所述电阻器R₇的另一端与所述运算放大器A3的输出端及所述电阻器R₂的一端连接，所述电阻器R₂的另一端与所述运算放大器A1的负输入端连接，所述运算放大器A2的正输入端与所述采样电阻R_s1的电流源电路输出端子侧连接，所述运算放大器A2的负输入端和电阻器R₈的一端连接，运算放大器A2输出端和电阻器R₈的另一端及电阻器R₄的一端连接，所述电阻器R₄的另一端与所述电阻器R₃一端连接，所述电阻器R₉的另一端与所述运算放大器A2的负输入端连接，所述运算放大器A3的正输入端与所述运算放大器A1的输出端连接。

所述电路上还设有至少一个用于增加电路输出电流的跟随器及相应的分流电阻，所述的跟随器串接相应的分流电阻后分别与所述采样电阻R_s1的两端相并联。

所述跟随器包括一运算放大器A4和一分流电阻R_s2，所述运算放大器A4的正输入端与所述运算放大器A1的输出端连接；所述分流电阻R_s2的一端与所述采样电阻R_s1的电流源电路输出端侧连接，其另一端分别与所述运算放大器A4的输出端及负输入端连接。

所述跟随器中的各运算放大器和所述分流电阻分别与所述运算放大器A1和采样电阻R_s1具有相同的参数。

所述电路还设置至少一个用于提高输出电压的反向放大器，所述反向放大器的输入端子接电流源电路输出端子或者所述运算放大器A1的输出端，所述反向放大器的输出替代电流源电路的地端作为电流源电路的另外一个输出端子。

所述电流源电路的电压输入端还设有串接的电阻器R₅、R₆分压电路，R₅的一端与R₁的另一端连接，R₅另一端接地；R₆的一端与R₅的接地端连接，R₆的另一端与R₃的另一端连接。

所述的反向放大器包括一运算放大器A5和电阻器R₁₀、R₁₁、R₁₂，所述的电阻器R₁₀的一端接地，其另一端与所述运算放大器A5的正输入端连接，所述的电阻器R₁₁一端与所述运算放大器A5的负输入端连接，另一端作为反向放大器的输入端与电流源输出端子或者所述运算放大器A1的输出端连接，所述电阻器R₁₂的两个端子分别与所述运算放大器A5的负输入端和输出端连接，所述运算放大器A5的输出端作为电流源电路的另一个输出端子与外部负载连接。

所述电流源的两个输出端子分别设有保护二极管D₁、D₂和D₃、D₄。

所述电阻器R₇、R₈、R₁₀上分别并联一电容器。

所述反向放大器中的所述电阻器R₁₁与所述电阻器R₁₂具有相同的电阻值参数。

与现有技术相比本发明具有如下有益技术效果：

第一，将采样电阻R_s1两端的电压直接反馈至运算放大器A1的输入端更改为经过运算放大器放大后反馈至运算放大器的输入端，这样可大幅度降低采样电压幅值及其电阻的损耗，提升控制电压的电压水平；

第二，本发明通过增加并联跟随器来加倍输出电流，从而实现压控电流源电路的大电流输出；

第三，本发明通过增加输出反向放大器来增大输出电压和功率，降低供电电源电压要求，并平稳供电电源负载电流。

附图说明

图1为典型运算放大器实现的压控电流源电路图。

图2为本发明所提供的一种电路示意图。

图3为本发明所提供的倍增输出电流方案示意图。

图4为本发明所提供的倍增输出电压方案示意图。

图5为本发明所提供的倍增输出电流和电压方案示意图。

图6为本发明所提供的图4中的另一方案示意图。

图号说明：

A1～A6——运算放大器；

R₁～R₁₅——电阻器；

R_s、R_s1、R_s2——采样电阻或分流电阻；

R_t1～R_t2——分流电阻；

R_L——负载电阻；

D₁～D₄——二极管；

C₁～C₃——电容器。

具体实施方式

为能使审查员清楚本发明的组成，以及实施方式，兹配合图式说明如下：

实施例1

本发明提供了一种压控电流源电路，其基本电路如图2所示。包括运算放大器A1、A2、电阻器R₁、R₂、R₃、R₄、采样电阻R_s1和负载电阻R_L；运算放大器A1的正、负输入端分别与电阻器R₁和电阻器R₃的一端连接，运算放大器A1的输出端与采样电阻R_s1的一端连接，电阻器R₁的另一端接地，电阻器R₃的另一端与电压输入端连接，电阻器R₂的两端分别与运算放大器A1输出端和负输入端连接；运算放大器A2的正输入端与采样电阻R_s1的另一端连接，其负输入端和输出端分别与电阻器R₄的一端连接，电阻器R₄的另一端与运算放大器A1的正输入端连接，负载电阻R_L的一端接地，其另一端与运算放大器A2的正输入端连接；其特征在于，电路还包括一运算放大器A3和电阻器R₇ 、R₈ 、R₉，运算放大器A3的负输入端分别与电阻器R₇、R₉的一端连接，电阻器R₇的另一端与运算放大器A3的输出端连接，电阻器R₉的另一端与运算放大器A2的负输入端连接，电阻器R₈的两端分别与运算放大器A2的负输入端和输出端连接；运算放大器A3的正输入端与运算放大器A1的输出端连接。

图中的输出电流采样电阻R_s1两端电压分别通过运算放大器A2和A3放大后反馈到主运算放大器A1的输入端。假设采样电阻R_s1两端的电压分别为V_t和V_o，运算放大器A2和A3放大电路的输出端电压分别为V₄和V₂，如图2所示，假设流经R_s1的电流为输出电流I_o，运算放大器A1的输入端虚地的电压为V_g，则可得到如下的方程：

(V₂-V_g)/R₂ = V_g/R₁

(V_i-V_g)/R₃ = (V_g-V₄)/R₄

(V₂-V_t)/R₇ = (V_t-V_o)/R₉

(V₄-V_o)/R₈ = (V_o-V_t)/R₉

V_t-V_o = R_s1I_o

对上述方程化简，消去V₂和V₄得到：

V_i = R₃/R₄(R₃/R₄-R₁/R₂)V_g + R₃/R₄(R₇+R₈+R₉)/R₉R_s1I_o

取R₁/R₂=R₃/R₄=K₁，(R₇+R₈+R₉)/R₉=K₂，有：

V_i = K₁K₂R_s1I_o

由此可见，对于图2所示的电路，其输出电流I_o与输入电压V_i成正比。与图1的电路相比，K₁=K，K₂>1，可见，采样电阻上的压降R_s1I_o可以更低，输入电压可以更大，此电路不仅能够实现压控电流源的功能，而且可以解决上述分析中的问题。

在图2的电路中，电路的最大输出电流和输出功率主要决定于运算放大器A1的参数与能力，在实际应用中有时需要增大输出电流和功率，这可以采用多个与运算放大器A1相同的运算放大器连接成跟随器与运算放大器A1并联，从而达到增大输出电流的目的；还可以采用一个或者多个与运算放大器A1相同的运算放大器连接至运算放大器A1的输出端，其输出连接至负载的另一端，从而达到提高输出电压和功率的目的。

下面进一步介绍在上述发明的基础上实现增加输出电流、提高输出电压的实现方案。

实施例2

图3给出了在图2的基础上再并联一个跟随器、增加一倍输出电流的方案示意。与图2相比，此电路仅仅增加了一个由运算放大器A4和采样电阻R_s2组成的跟随器，由电路可见，运算放大器A4的输出电压永远跟随V_t的变化，由图3可见，流经采样电阻R_s1和 R_s2的电流分别为：

I_s1o = (V_t-V_o)/R_s1

I_s2o = (V_t-V_o)/R_s2

流经负载电阻R_L的电流为上述两个电流之和，可见增加跟随器后增大了输出电流；若取运算放大器A4和采样电阻R_s2分别与运算放大器A1和采样电阻R_s1完全相同的参数，则输出电流就增加了一倍。

若再增加一个跟随器和采样电阻，可进一步将输出电流再增加一倍。

一般地，若增加N个跟随器与电流采样电阻，就可以将电流增加到N+1倍。

实施例3

图4给出了在图2的基础上提高输出电压的一种方案示意。在图2所示电路的输出端增加一个由电阻器R₁₀～R₁₂和运算放大器A5组成的反向放大器，并将负载连接到压控电流源输出Vo+与新增加反向放大器的输出Vo-之间，为了避免输出上下限截止，输入电压不能直接接地，可以采用多种方式接地控制信号的电平，图4给出了一种接地方式，即通过两个电阻器R₅和R₆控制输入信号的中间电平与地同电位，当然也可以采用其他电平控制方式。

针对图4电路，同样可以推导出如下关系式：

V_i+-V_i- = K₁K₂(V_t-V_o+)

运算放大器A5的输出电压V_o-为：

V_o- = -R₁₂/R₁₁V_o+

若取R₁₁=R₁₂，则加在负载电阻R_L上的电压为：

V_o = V_o+-V_o- = 2V_o+

可见，增加反向放大器以后，电路的输出电压增加一倍。尤其是对于功率较大的电路，采用此电路以后，电路对供电电源的要求要降低很多，首先是对相同的输出电压，供电电源的电压要降低一倍，其次是电源的供电电流更加平稳。

实施例4

图5给出了在图3的基础上提高输出电压的另一种方案示意。在图3所示电路的输出端增加两个并联的反向放大器，一个由电阻器R₁₀～R₁₂和运算放大器A5组成，另一个有电阻器R₁₃～R₁₅和运算放大器A6组成，为了保证电流在两个反向放大器间均匀分布，两个反向放大器分别经过分流电阻R_t1和R_t2后并联，作为压控电流源的另一个输出端V_o-。

实施例5

图6是本发明提供了另一具体实施例，该电路基本上与图4的电路完全相同，仅仅有几个细节上的差别。为了消除高频可能产生的自激，在电阻器R₇、R₈和R₁₀上分别并联了一个小的电容器C1、C2、C3；为了最大限度地提高电路输出功率，充分利用元件的能力，运算放大器A5的输入电压未从V_o+引接，而是从V_t引接，这样在R_L的输出功率有所增加；为了适应外接负载R_L可能包含感性负载，在电流换向时避免运算放大器元件损坏，在V_o+和V_o-两个输出端均增加了保护二极管D₁～D₄。

图6的电路可以输出正向、反向的直流电流，或者交流电流，输出电流与输入电压成正比。此电路当与程控电压信号发生器相联时，可以实现程控电流源的功能。

以上所述，仅供说明本发明之用，而非对本发明作任何形式上的限制；有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实例，因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种压控电流源电路，包括运算放大器A1、A2、电阻器R₁、R₂、R₃、R₄和采样电阻Rs₁；所述运算放大器A1的正输入端与所述电阻器R₃一端连接，所述运算放大器A1的负输入端和电阻器R₁一端连接；所述运算放大器A1的输出端串接所述采样电阻Rs₁后作为电流源电路输出端子，所述电阻器R₃的另一端作为压控电流源电路的电压输入端，电阻器R₁的另一端接地，其特征在于，所述电路还包括一运算放大器A3和电阻器R₇ 、R₈ 、R₉，所述运算放大器A3的负输入端分别与所述电阻器R₇、R₉的一端连接，所述电阻器R₇的另一端与所述运算放大器A3的输出端及所述电阻器R₂的一端连接，所述电阻器R₂的另一端与所述运算放大器A1的负输入端连接，所述运算放大器A2的正输入端与所述采样电阻R_s1的电流源电路输出端子侧连接，所述运算放大器A2的负输入端和电阻器R₈的一端连接，运算放大器A2输出端和电阻器R₈的另一端及电阻器R₄的一端连接，所述电阻器R₄的另一端与所述电阻器R₃一端连接，所述电阻器R₉的另一端与所述运算放大器A2的负输入端连接，所述运算放大器A3的正输入端与所述运算放大器A1的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的压控电流源电路，其特征在于，所述电路上还设有至少一个用于增加电路输出电流的跟随器及相应的分流电阻，所述的跟随器串接相应的分流电阻后分别与所述采样电阻R_s1的两端相并联。

3.根据权利要求2所述的压控电流源电路，其特征在于，所述跟随器包括一运算放大器A4和一分流电阻R_s2，所述运算放大器A4的正输入端与所述运算放大器A1的输出端连接；所述分流电阻R_s2的一端与所述采样电阻R_s1的电流源电路输出端子侧连接，其另一端分别与所述运算放大器A4的输出端及负输入端连接。

4.根据权利要求3所述的压控电流源电路，其特征在于，所述跟随器中的运算放大器和所述分流电阻分别与所述运算放大器A1和采样电阻R_s1具有相同的参数。

5.根据权利要求1-4任一所述的压控电流源电路，其特征在于，所述电路还设置至少一个用于提高输出电压的反向放大器，所述反向放大器的输入端子接电流源电路输出端子或者所述运算放大器A1的输出端，所述反向放大器的输出替代电流源电路的地端作为电流源电路的另外一个输出端。

6.根据权利要求5所述的压控电流源电路，其特征在于，所述压控电流源电路的电压输入端还设有串接的电阻器R₅、R₆分压电路，R₅的一端与R₁的另一端连接，R₅另一端接地；R₆的一端与R₅的接地端连接，R₆的另一端与R₃的另一端连接。

7.根据权利要求5所述的压控电流源电路，其特征在于，所述的反向放大器包括一运算放大器A5和电阻器R₁₀、R₁₁、R₁₂，所述的电阻器R₁₀的一端接地，其另一端与所述运算放大器A5的正输入端连接，所述的电阻器R₁₁一端与所述运算放大器A5的负输入端连接，另一端作为反向放大器的输入端子与电流源电路输出端子或者所述运算放大器A1的输出端连接，所述电阻器R₁₂的两个端子分别与所述运算放大器A5的负输入端和输出端连接，所述运算放大器A5的输出端作为电流源电路的另一个输出端子与外部负载连接。

8.根据权利要求6所述的压控电流源电路，其特征在于，所述的反向放大器包括一运算放大器A5和电阻器R₁₀、R₁₁、R₁₂，所述的电阻器R₁₀的一端接地，其另一端与所述运算放大器A5的正输入端连接，所述的电阻器R₁₁一端与所述运算放大器A5的负输入端连接，另一端作为反向放大器的输入端子与电流源电路输出端子或者所述运算放大器A1的输出端连接，所述电阻器R₁₂的两个端子分别与所述运算放大器A5的负输入端和输出端连接，所述运算放大器A5的输出端作为电流源电路的另一个输出端子与外部负载连接。

9.根据权利要求7或8所述的压控电流源电路，其特征在于，所述电流源电路的两个输出端子分别设有保护二极管D₁、D₂和D₃、D₄。

10.根据权利要求7或8所述的压控电流源电路，其特征在于，所述电阻器R₇、R₈、R₁₀上分别并联一电容器。

11.根据权利要求9所述的压控电流源电路，其特征在于，所述电阻器R₇、R₈、R₁₀上分别并联一电容器。

12.根据权利要求7或8所述的压控电流源电路，其特征在于，所述反向放大器中的所述电阻器R₁₁与所述电阻器R₁₂具有相同的电阻值参数。

13.根据权利要求9所述的压控电流源电路，其特征在于，所述反向放大器中的所述电阻器R₁₁与所述电阻器R₁₂具有相同的电阻值参数。