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模拟电路设计(七)  各种增幅电路(上)
宇量
内容标题导览:|定电流电路|实际定电流电路的特性|电压-电流转换电路|量测仪器的电流Loop应用|直流基准电压电路|

本篇与下一篇要连续介绍反转增幅电路、非反转增幅电路,差动增幅电路以外的其它型式增幅电路,具体内容如下所示:
1 定电流电路。
2 基准电源电路。
3 电流-电压转换电路。
定电流电路
实际电路输出阻抗(impedance)并非全部是零定电压电路,有许多情况要求输出阻抗为无限大的定电流电源。表1是典型的单极性定电流电路。



表1 各种定电流电路

基本电路
TypeⅠ的电路是使检测电压Vs(=RsIout) 能与输入电压Vef,以及输出电流相同进行动作,它的输出电流Iout可用下式表示:
 如图1(a)所示的输出单元若使用晶体管(Transistor),电流检出会产生base电流成份的误差,如果设计上不允许这种误差时,就需改用图1(b)所示的FET电路,基本上FET具有gate-drain漏电(leak)电流,加上控制的电路输入偏压(bias)电流也会有误差,因此这种情况必需使用FET输入增幅器。

图1 定电流电路的输出电路与误差


其它型式的定电流电路电路
*TypeⅡ
这种型式的电路是由OP增幅器与Vref=(=)一体化shunt regulator所构成,,所以电源的可利用范围非常狭窄。
*TypeⅢ
基本上这种型式的电路最大特征是利用晶体管取代OP增幅器,由于该电路是用晶体管的 VBE(=)取代Vref ,因此会出现VBE的温度变化特性,精度上无法期待。
*TypeⅣ
这种型式的电路是利用一对晶体管,补偿V
BE的温度变化,,所以该电路广泛被应用于各种电源领域。
*TypeⅤ
这种型式的电路最大特征是使用J-FET组件,该电路可以将作成可变方式,并输出drain饱和电流IDSS。由于该电路的噪讯非常低,所以非常适合应用于对噪讯要求极严苛的领域。如果去除RGS电流值就变成IDSS,将它变成两端子二极管时就则成为所谓的「定电流二极管」。
值得一提的是以上介绍的电路全部都是电流吸入型电路,TypeⅡ除外如果变更使用的半导体种类与Vref的极性,就会变成电流吐出型电路。
机能性等价电路的应用
如表1所示TypeⅠ~TypeⅣ,可将阻抗RS控制成一定电压Vref的电路,亦能用图2所示的三种OP等价电路方式表示,这种等价电路又称为「机能性等价电路」。虽然这些电路不适合作严密计算,不过对定性动作机制的解析却有很大的助益。为了利用等价电路理解动作机制,因此必需使用相当程度的定电流精度,藉此选择控制电路。需要定电流特性的场合,可选择表1的TypeⅠ或是TypeⅡ的电路;反之若定电流特性不是考量重点时,可选择TypeⅢ的电路;若希望定电流特维持在某种范围时,就必需改用TypeⅣ的电路。
图2(a)是shunt regulator内部的等价电路。
图2(b)是晶体管的emitter共通电路,该电路忽略base电流。
图2(c)是利用一对(pair)晶体管,补偿VBE温度变化的电路,虽然该电路的基准电压Vref与R2IB相同,不会与VBE有依存关系,不过却有极大的偏压电流流动。
设计模拟电路经常使用机能性等价电路,从基本设计进行细部设计时,虽然初期可忽视内部电路,直接与必要功能的block连接,不过最后进行个别组件breakdown之前,就必需借助机能性等价电路,根据设计规格作final的电路设计。


图2 定电流电路的机能性等价电路

输出电流的动态范围
接着要探讨图3定电流电路的输出电流动态范围。受限于power MOSFET Tr1的耐压(VDSS) ,因此施加于负载阻抗RL的最大电压VLmax可用下式表示:
由于定电流动作中的Vsmax与Vref相同,因此表1中的TypeⅠ与TypeⅣ,比TypeⅡ的 Vref=,而且动态范围更大。事实上输出电流的最大值Iomax 并非取决于Tr1 的最大drain电流IDmax ,大部份的场合几乎都是由drain损失定格决定。当RL=oΩ时,Tr1的损失最大值PDmax可用下式表示:
 提高精度的方法
要求定电流精度的场合,必需使用高精度的OP增幅器,藉此尽量将图3的Vs加大,同时电流检测电阻必需使用高精度type,如此便可使电流检测电阻的电力损耗降至定格容许损耗的1/10以下。值得一提的是输出单元也需使用Cuskold电路,输入偏压电流则使用低于容许误差电流的OP增幅器。

图3 TypeⅠ定电流