一种恒流源电路及电阻调理电路的制作方法

本实用新型涉及一种恒流源电路及电阻调理电路。

背景技术：

电阻调理电路中，恒流源的精度和稳定性决定了电阻测试的精度。高集成度电流源芯片在低电流情况下的精度和漏电流难以获得理想的电流输出表现，而经典的howland电流源在实际应用中存在诸如电阻匹配、稳定性等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种恒流源电路及电阻调理电路。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种恒流源电路，包括第一放大器、第二放大器、n通道场效应管、p通道场效应管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和第五电容，第七电阻的第一端接参考电压，第七电阻的第二端接第一放大器的同相输入端，第七电阻的第二端经第八电阻接地，第一放大器的同相输入端经第四电容接地，第一放大器的反相输入端经第十电阻接地，第一放大器的反相输入端经第三电容接第一放大器的输出端，第一放大器的输出端接n通道场效应管的栅极，n通道场效应管的源极经第十电阻接地，n通道场效应管的漏极经第一电阻接供电电源，第二电阻与第一电阻并联，n通道场效应管的漏极接第二放大器的同相输入端，第二放大器的负电源端经第一电容接地，第二放大器的正电源端经第五电容接地，第二放大器的反相输入端经第三电阻接供电电源，第四电阻、第五电阻和第六电阻均与第三电阻并联，第二放大器的反相输入端经第二电容接第二放大器的输出端，第二放大器的反相输入端接p通道场效应管的源极，第二放大器的输出端经第九电阻接p通道场效应管的栅极，p通道场效应管的漏极作为恒流源电路的输出端。

优选的，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第十电阻的电阻值均为4.99kω。

优选的，所述第一放大器和第二放大器的型号为opa2277ua。

优选的，所述n通道场效应管的型号为pmbfj112，p通道场效应管的型号为pmbfj177。

优选的，所述第一电容和第五电容的电容量为0.1uf，第二电容和第三电容的电容量为10nf，第四电容的电容量为10uf。

一种电阻调理电路，包括上述恒流源电路。

优选的，电阻调理电路为两线制电阻输入调理电路或三线制电阻输入调理电路。

优选的，所述两线制电阻输入调理电路包括恒流源电路、第三放大器、第一航插、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第六电容、第七电容、第八电容和第九电容，所述恒流源电路的正输出端接第一航插的第一端子，所述恒流源电路的负输出端接第一航插的第二端子，所述第十一电阻的第一端经第十二电阻接第一航插的第一端子，所述第十一电阻的第二端经第十三电阻接第一航插的第二端子，所述第三放大器的同相输入端经第十四电阻接第一航插的第一端子，所述第三放大器的反相输入端经第十五电阻接第一航插的第二端子，所述第三放大器的同相输入端经第六电容接地，所述第三放大器的反相输入端经第八电容接地，所述第三放大器的同相输入端经第七电容接第三放大器的反相输入端，所述第三放大器的输出端接第十六电阻的第一端，所述第十六电阻的第二端经第九电容接地，所述第十六电阻的第二端作为两线制电阻输入调理电路的输出端。

优选的，所述三线制电阻输入调理电路包括恒流源电路、第四放大器、第五放大器、第六放大器、第二航插、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第二十六电阻、第二十七电阻、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十四电容、第十五电容和第十六电容，所述恒流源电路的正输出端接第二航插的第一端子，所述恒流源电路的负输出端接第二航插的第二端子，所述第十七电阻的第一端经第十八电阻接第二航插的第一端子，所述第十七电阻的第二端经第十九电阻接第二航插的第二端子，所述第十七电阻的第一端经第二十电阻接第二航插的第三端子，第四放大器的同相输入端经第二十一电阻接第二航插的第一端子，第四放大器的反相输入端经第二十二电阻接第二航插的第二端子，第四放大器的同相输入端经第十电容接地，第四放大器的同相输入端经第十一电容接第四放大器的反相输入端，第四放大器的反相输入端经第十二电容接地，第五放大器的同相输入端经第二十三电阻接第二航插的第三端子，第五放大器的反相输入端经第二十四电阻接第二航插的第二端子，第五放大器的同相输入端经第十三电容接地，第五放大器的同相输入端经第十四电容接第五放大器的反相输入端，第五放大器的反相输入端经第十五电容接地，第四放大器的输出端经第二十五电阻接第六放大器的反相输入端，第五放大器的输出端接第六放大器的同相输入端，第六放大器的反相输入端经第二十六电阻接第六放大器的输出端，第六放大器的输出端接第二十七电阻的第一端，第二十七电阻的第二端经第十六电容接地，第二十七电阻的第二端作为三线制电阻输入调理电路的输出端。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型选择低漏电流分立器件与低失调运算放大器实现v/i变换，在低电流情况下能够获得较好的电流输出表现，且在实际应用中不存在稳定性差等问题；

(2)本实用新型中利用第三电阻至第六电阻并联作为取样电阻，降低了取样电阻值，有利于提高顺从电压，且可以有效降低电阻的偏移；

(3)第二电容和第三电容可以避免产生振荡等稳定性问题，利于在复杂环境长期稳定工作。

附图说明

图1为恒流源电路的一种电路图；

图2为两线制电阻输入调理电路的一种电路图；

图3为三线制电阻输入调理电路的一种电路图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1-3，本实施例提供了一种恒流源电路及电阻调理电路：

实施例一

如图1所示，一种恒流源电路，包括第一放大器u1、第二放大器u2、n通道场效应管q1、p通道场效应管q2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4和第五电容c5，第七电阻r7的第一端接参考电压，第七电阻r7的第二端接第一放大器u1的同相输入端，第七电阻r7的第二端经第八电阻r8接地，第一放大器u1的同相输入端经第四电容c4接地，第一放大器u1的反相输入端经第十电阻r10接地，第一放大器u1的反相输入端经第三电容c3接第一放大器u1的输出端，第一放大器u1的输出端接n通道场效应管q1的栅极，n通道场效应管q1的源极经第十电阻r10接地，n通道场效应管q1的漏极经第一电阻r1接供电电源，第二电阻r2与第一电阻r1并联，n通道场效应管q1的漏极接第二放大器u2的同相输入端，第二放大器u2的负电源端经第一电容c1接地，第二放大器u2的正电源端经第五电容c5接地，第二放大器u2的反相输入端经第三电阻r3接供电电源，第四电阻r4、第五电阻r5和第六电阻r6均与第三电阻r3并联，第二放大器u2的反相输入端经第二电容c2接第二放大器u2的输出端，第二放大器u2的反相输入端接p通道场效应管q2的源极，第二放大器u2的输出端经第九电阻r9接p通道场效应管q2的栅极，p通道场效应管q2的漏极作为恒流源电路的输出端。

所述第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9和第十电阻r10的电阻值均为4.99kω。

所述第一放大器u1和第二放大器u2的型号为opa2277ua。

所述n通道场效应管q1的型号为pmbfj112，p通道场效应管q2的型号为pmbfj177。

所述第一电容c1和第五电容c5的电容量为0.1uf，第二电容c2和第三电容c3的电容量为10nf，第四电容c4的电容量为10uf。

本实施例中，恒流源电路由两级v/i变换实现，第一级由参考电压源、电流采样、放大环节组成一个闭环，实现v-i-v变换作为第二级v/i变换的输入参考电压源；第二级直接采样输出电流，用负反馈强迫输出电流成为指定值。

第一级5v参考电压经两颗高精密电阻分压获得2.5v参考电压，经v/i变换在第十电阻r10上获得电流同一回路上的第一电阻r1和第二电阻r2并联作为第一级电流源负载，经i/v变换可求得

第二级为电流源输出侧，第三电阻r3～第六电阻r6并联作为取样电阻，当接入负载后，根据运放负反馈有“虚短”特点得流过四颗取样电阻的电流即是输出电流，其值为:

可以看出输出电流精度受到参考电压精度和标称电阻值限制，而标称电阻的误差可以通过两个10kω电阻并联替换4.99kω获得更为理想的5kω电阻。实际上考虑到5v参考电压选用的参考源存在着±2mv初始误差，单单提高电阻精度并不能解决该部分精度造成的误差，因此本实施例的方案是对电流源进行校准以补偿器件差异造成的误差。本实施例中电阻的精度为1％。

尽管提高电流源初始精度十分重要，但更为重要的一点在于提高该电路的长期稳定性和一致性，即电流源输出随温度漂移和时间漂移的特性。此处使用的参考电压源为adc参考电压源，其温漂最大值为3ppm/℃，而放大器opa2277的输入失调电压的温漂和时漂均低至1μv/℃和0.2μv/mo，电阻选用5ppm/℃低温漂电阻。

因恒流源电路使用5.5v供电，最大负载达到约3900ω，为提高顺从电压，必须降低取样电阻值，因此，本实施例将第三电阻r3～第六电阻r6并联作为取样电阻，同时，多电阻并联可以有效降低电阻的偏移。

本实施例中，第二电容c2和第三电容c3的存在可以避免产生振荡等稳定性问题，利于在复杂环境长期稳定工作。

实施例二

一种电阻调理电路，包括实施例一所述的恒流源电路。

一般的，电阻调理电路为两线制电阻输入调理电路或三线制电阻输入调理电路。

如图2所示，在一些实施例中，所述两线制电阻输入调理电路包括恒流源电路is、第三放大器u3、第一航插、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8和第九电容c9，所述恒流源电路is的正输出端接第一航插的第一端子，所述恒流源电路is的负输出端接第一航插的第二端子，所述第十一电阻r11的第一端经第十二电阻r12接第一航插的第一端子，所述第十一电阻r11的第二端经第十三电阻r13接第一航插的第二端子，所述第三放大器u3的同相输入端经第十四电阻r14接第一航插的第一端子，所述第三放大器u3的反相输入端经第十五电阻r15接第一航插的第二端子，所述第三放大器u3的同相输入端经第六电容c6接地，所述第三放大器u3的同相输入端经第七电容c7接第三放大器u3的反相输入端，所述第三放大器u3的反相输入端经第八电容c8接地，所述第三放大器u3的输出端接第十六电阻r16的第一端，所述第十六电阻r16的第二端经第九电容c9接地，所述第十六电阻r16的第二端作为两线制电阻输入调理电路的输出端。

本实施例的调理对象包括三路pt-100铂电阻和一路30ω至260ω电阻。在-200℃至850℃温度范围内pt-100阻值变化为18.52ω～390.48ω。激励电流设为1ma，则对应电压信号为18.52mv～390.48mv，整个信号路径的电压增益可设置为10。为提高信噪比和共模抑制比，该信号放大仅设置在调理电路这一级。

传统两线制电阻测量的结构缺陷在于，因导线电阻而存在的固有误差无法仅仅通过调理而消除，可行的方式是测得两根导线的电阻进行修正。本实施例中将连接到第一航插的两个端子作为被测电阻(即实际测试结果为r11+r12+r13)进行四线制调理，避免引入更多的误差源(如pcb走线电阻、连接器接触电阻等)。

第三放大器u3的型号为ad8228arz。

如图3所示，在一些实施例中，所述三线制电阻输入调理电路包括恒流源电路is、第四放大器u4、第五放大器u5、第六放大器u6、第二航插、第十七电阻r17、第十八电阻r18、第十九电阻r19、第二十电阻r20、第二十一电阻r21、第二十二电阻r22、第二十三电阻r23、第二十四电阻r24、第二十五电阻r25、第二十六电阻r26、第二十七电阻r27、第十电容c10、第十一电容c11、第十二电容c12、第十三电容c13、第十四电容c14、第十五电容c15和第十六电容c16，所述恒流源电路is的正输出端接第二航插的第一端子，所述恒流源电路is的负输出端接第二航插的第二端子，所述第十七电阻r17的第一端经第十八电阻r18接第二航插的第一端子，所述第十七电阻r17的第二端经第十九电阻r19接第二航插的第二端子，所述第十七电阻r17的第一端经第二十电阻r20接第二航插的第三端子，第四放大器u4的同相输入端经第二十一电阻r21接第二航插的第一端子，第四放大器u4的反相输入端经第二十二电阻r22接第二航插的第二端子，第四放大器u4的同相输入端经第十电容c10接地，第四放大器u4的同相输入端经第十一电容c11接第四放大器u4的反相输入端，第四放大器u4的反相输入端经第十二电容c12接地，第五放大器u5的同相输入端经第二十三电阻r23接第二航插的第三端子，第五放大器u5的反相输入端经第二十四电阻r24接第二航插的第二端子，第五放大器u5的同相输入端经第十三电容c1接地，第五放大器u5的同相输入端经第十四电容c14接第五放大器u5的反相输入端，第五放大器u5的反相输入端经第十五电容c15接地，第四放大器u4的输出端经第二十五电阻r25接第六放大器u6的反相输入端，第五放大器u5的输出端接第六放大器u6的同相输入端，第六放大器u6的反相输入端经第二十六电阻r26接第六放大器u6的输出端，第六放大器u6的输出端接第二十七电阻r27的第一端，第二十七电阻r27的第二端经第十六电容c16接地，第二十七电阻r27的第二端作为三线制电阻输入调理电路的输出端。

本实施例的调理对象包括两种类型铂电阻：pt-100和pt-1000，在-200℃至850℃温度范围内其阻值变化分别为18.52ω～390.48ω，185.2ω～3904.8ω。激励电流设为1ma，则对应电压信号为18.52mv～390.48mv，185.2mv～3904.8mv。对于pt-1000，整个信号路径的电压增益只能设置为1，而pt-100则可以有10倍增益，因此前级放大增益为1，对pt-100的信号放大在后续电路完成，比如由ad8250构成的adc缓冲级完成。

图3中，r17为被测对象，r18、r19、r20为连接导线的等效电阻。对于电阻信号的测量，最大的挑战即在于如何降低导线电阻引入的误差。以标准awg22#线为例，其铜阻约为53mω/m，20米电缆长度在两线制测量中产生约2ω电阻误差，三线制测量中该误差为1ω，而四线制测量不受导线电阻影响。

本实施例的方案不仅可以减小导线电阻的影响，而且可以避免电路板上走线差异、板对板连接器接触电阻和接地回路引入的误差。此外，本实施例的方案可以在调理电路输入端连接emi滤波器和tvs器件而不影响测试精度，而传统三线制调理电路则对于电磁干扰和瞬态电压无能为力。

运算放大器输出电压vo为恒流源电流is在被测电阻r17上产生的电压降，其推导过程如下：

vo1＝v1+-v1-＝is(r17+r19)

vo2＝v2+-v2-＝is(r17+r18+r19)

令r25＝r26，有

vo＝2×vo1-vo2

＝2×is(r17+r19)-is(r17+r18+r19)

＝isr17+is(r19-r18)

可以看出，输出电压误差仅仅源于两根导线电阻的不匹配程度，实际上尽管单根导线的电阻不可忽略，但导线电阻的差值则很小，这取决于导线横截面是否均匀、导线间长度是否一致。

另一个误差源则来自器件本身的误差，如电流源精度、第二十五电阻r25和第二十六电阻r26不匹配程度、仪表放大器和运算放大器失调电压等，而这一部分的误差可以通过校准来进行修正。通过选用低温漂和时漂的器件获得长期稳定的高精度测量一致性。本实施例中，第四放大器u4和第五放大器u5的型号为ad8221arz，第六放大器u6的型号为opa277ua。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。