一种基于组合法的脉冲电流源的制作方法

本发明属于信号产生技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于组合法的脉冲电流源。

背景技术：

随着电力电子技术等基础学科的不断进步，脉冲电流源发展非常迅速，并凭借输出电流幅值、脉宽在大范围内可调、结构紧凑、工作可靠和维修成本低等优势快速占领了相关应用领域的市场。这些脉冲电流源产品被广泛应用于测试、工业和军事等领域中并发挥着非常重要的作用。

脉冲电流信号的上升时间是衡量脉冲电流波形质量的重要参数，是影响脉冲电流源所在系统输出性能的重要参数；同时，对于大电流，场效应管的功耗较大，如何缩短脉冲电流上升时间并降低场效应管的功耗是目前研究的重要课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于组合法的脉冲电流源，在降低压控恒流源中场效应管功耗的同时，缩短脉冲电流上升时间。

为实现上述发明目的，本发明基于组合法的脉冲电流源，其特征在于，包括：

一幅值可调恒流模块，用于根据设定幅值低位电压，输出幅值可调的脉冲电流；

多个固定幅值输出恒流模块，用于分别输出一个幅值固定的脉冲电流；

一恒流模块选通控制开关，用于根据高位选通控制信号选择参考电压输入到相应的固定幅值输出的恒流模块，从而输出幅值固定的脉冲电流，根据低位选通控制信号选通设定幅值低位电压到幅值可调恒流模块，输出幅值可调的脉冲电流；

一控制电路，用于根据设置输出脉冲电流幅值高位，转换为相应固定幅值输出恒流模块的选择值，该选择值分别与脉宽控制信号进行与操作，输出高位选通控制信号，同时，将脉宽控制信号作为低位选通控制信号；

一幅值电压转换模块，根据设置输出脉冲电流幅值低位，输出设定幅值低位电压；

所述幅值可调恒流模块包括一个主压控恒流源以及一个与主压控恒流源并联的微分补偿压控恒流源，主压控恒流源根据选择设定幅值低位电压输出相应大小的脉冲电流，微分补偿压控恒流源对设定幅值低位电压选通时的电压信号进行微分，输出尖峰脉冲电流，并叠加到主压控恒流源输出的脉冲电流上，得到幅值可调的脉冲电流；

所述多个固定幅值输出恒流模块均包括一个主压控恒流源以及一个与主压控恒流源并联的微分补偿压控恒流源，主压控恒流源根据选择参考电压输出相应大小的脉冲电流，微分补偿压控恒流源对参考电压选通时的电压信号进行微分，输出尖峰脉冲电流，并叠加到主压控恒流源输出的脉冲电流上，得到幅值固定的脉冲电流；

将幅值可调的脉冲电流与各幅值固定的脉冲电流进行叠加，得到设定幅值、设定脉宽的脉冲电流。

本发明的目的是这样实现的。

本发明基于组合法的脉冲电流源，采用一个幅值可调恒流模块根据设置输出脉冲电流幅值低位输出低位的幅值可调的脉冲电流，采用多个固定幅值输出恒流模块，根据设置输出脉冲电流幅值高位输出0个至多个幅值固定的脉冲电流，然后，将低位的幅值可调的脉冲电流与幅值固定的脉冲电流进行叠加，得到设定幅值、设定脉宽的脉冲电流，这样，每个压控恒流源的脉冲电流都可以在一个比较小限值内，从而降低压控恒流源中场效应管功耗。同时，由于恒流模块都由一个主压控恒流源以及一个与主压控恒流源并联的微分补偿压控恒流源构成，通过微分补偿压控恒流源对于压控电压信号的微分，得到一个尖峰脉冲电流，使得最终输出的脉冲电流上升沿得到补偿，缩短脉冲电流上升时间，改善了输出波形的质量。

附图说明

图1是本发明基于组合法的脉冲电流源一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示控制电路的电路原理示意图；

图3是图1所示固定幅值输出恒流模块的电路原理框图；

图4是图3所示固定幅值输出恒流模块中叠加微分补偿电流前后，输出脉冲信号波形图；

图5是图3所示固定幅值输出恒流模块的具体电路原理示意图；

图6是图5所示主压控恒流源中放大器同相端输入的脉冲电压控制信号波形示意图；

图7是压控恒流源同相输入端电压up、输出端电压ug和输出电流id的关系示意图；

图8是小电流吸收电路原理图；

图9是吸收小电流前后输出脉冲电流波形图；

图10是图3所示微分补偿电路示意图；

图11是图10所示微分补偿电路输出波形图；

图12是图10所示微分补偿电路各点输出波形图；

图13是输出脉冲电流为2.50a时负载两端脉冲电压及上升沿波形图；

图14是输出脉冲电流为5.00a时负载两端脉冲电压及上升沿波形图；

图15是输出脉冲电流为9.00a时负载两端脉冲电压及上升沿波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明基于组合法的脉冲电流源一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，本发明通过组合法输出幅值0-9.99a可调、脉宽0-99.99ms可调的脉冲电流。所谓组合法输出即是通过将多个固定幅值输出恒流源模块和一个幅值可调恒流模块按照一定规则进行组合实现输出大幅值可调脉冲电流输出方案，采用组合法输出脉冲电流不仅可以将场效应管上的功耗分散在多只管子上，并且由于输出幅值固定的脉冲电流产生模块存在，也便于对输出脉冲电流上升沿的调节。

在本实施例中，如图1所示，本发明基于组合法的脉冲电流源包括幅值可调恒流模块1、四个固定幅值输出恒流模块2、恒流模块选通控制开关3、控制电路4、幅值电压转换模块5、幅值设置拨码盘6、脉宽设置拨码盘7、脉宽转换模块8。

其中，幅值设置拨码盘6的低位幅值拨码开关即十分位、百分位输出为设置输出脉冲电流幅值低位，经过幅值电压转换模块5得到设定幅值低位电压，该电压在控制电路4输出的低位选通控制信号控制下，通过恒流模块选通控制开关3输入到幅值可调恒流模块1，最终输出0.99a幅值可调的脉冲电流。

幅值设置拨码盘6的高位幅值拨码开关即个位输出设置输出脉冲电流幅值高位，在控制电路4中，转换为相应固定幅值输出恒流模块的选择值即个位码值y4、y3、y2、y1，该选择值y4、y3、y2、y1分别与脉宽控制信号cw进行与操作，输出高位选通控制信号k4、k3、k2、k1，同时，将脉宽控制信号作为低位选通控制信号k0。

恒流模块选通控制开关3根据高位选通控制信号选择参考电压输入到相应的固定幅值输出的恒流模块2，从而输出幅值固定的脉冲电流.

将幅值可调的脉冲电流与各幅值固定的脉冲电流进行叠加，得到设定幅值、设定脉宽的脉冲电流。

在本实施例中，如图1所示，脉冲电流源的工作状态由控制电路4控制，控制电路4产生5路选通控制信号k4、k3、k2、k1、k0，分别控制4个固定幅值输出恒流模块2和一个幅值可调恒流模块1的工作状态。其中4个固定幅值输出恒流模块2可输出幅值分别为2a、4a、2a、1a的脉冲电流，若将4个固定幅值输出恒流模块2按一定规则组合即可获得幅值为0-9a的整数值脉冲电流。最后一路幅值可调恒流模块1可根据十分位、百分位输出幅值在0-0.99a之间可调的脉冲电流，将其叠加在4个固定幅值输出恒流模块2组合输出的整数值电流上即可产生幅值为0-9.99a可调的脉冲电流。输出脉冲电流幅值i可用下式表示：

ki＝0或1(ki＝0表示开关断开，ki＝1表示开关闭合)

i0＝0-0.99a、i1＝1a、i2＝2a、i3＝4a、i4＝2a

当ki以表1所示方式选通时，脉冲电流源即可输出幅值0-9.99a可调的脉冲电流。

表1

例如，脉冲电流源要输出幅值为5.16a的脉冲电流时，只需设置k4＝0，k3＝1，k2＝0，k1＝1，k0＝1，并使i0＝0.16a，这样根据公式(2-1)可得：

下面将分别对控制电路、幅值可调恒流模块、四个固定幅值输出恒流模块以及正负补偿进行介绍。

1、控制电路

在本实施例中，采用三个8421拨码开关作为幅值拨码开关组成的幅值设置拨码盘6分别用来设置幅值个位、十分位和百分位数值。采用四个8421拨码开关作为脉宽设置拨码开关组成的脉宽设置拨码盘7分别用来设置脉宽十位、个位、十分位和百分位数值。控制电路4负责将用户设置输出脉冲电流幅值高位转换为相应固定幅值输出恒流模块的选择值即各位码值y4、y3、y2、y1，该选择值y4、y3、y2、y1分别与脉宽控制信号cw进行与操作，输出高位选通控制信号k4、k3、k2、k1，同时，将脉宽控制信号作为低位选通控制信号k0。

五路选通控制信号k4、k3、k2、k1和k0产生的电路原理图如图2所示。

将幅值拨码开关中，用于设置输出脉冲电流幅值个位的拨码开关即最高位幅值拨码开关输出的8421码各位码值d、c、b、a即设置输出脉冲电流幅值高位，经过逻辑运算后转化为2421码各位码值y4、y3、y2、y1分别与高电平宽度与设置值相同的脉宽控制信号cw进行与运算后输出作为各固定幅值输出恒流模块的选通控制信号k4、k3、k2、k1，而0-0.99a可调恒流源输出模块的选通控制信号k0则为脉宽控制信号cw本身，码值转换前后以及最终输出的控制信号对应表如表2所示。

表2

此外脉宽控制信号cw由脉宽转换模块8产生，将四个脉宽设置拨码开关输出的8421码值作为四片级联十进制减法计数器置数端的输入信号，通过对100khz的时钟进行减法计数，实现当设置脉宽码值在0000-9999变化时，精确定时0-99.99ms，并利用借位信号作为d触发器触发信号使其输出状态发生翻转从而获得0-99.99ms可调的脉宽控制信号cw。

2、四个固定幅值输出恒流模块组成

在本实施例中，如图1所示，由于四个固定幅值输出恒流模块2的结构相同(只是其中的幅度调节电路存在增益上的差异)，故以其中一个模块为例介绍脉冲电流的产生过程以及提升输出脉冲电流上升沿的电路设计。另外，幅值可调恒流模块1与四个固定幅值输出恒流模块2的结构除了幅值调节电路外，其他的结构也相同，同时，可将幅值可调恒流模块1视为增益为1的特例。其原理不单独介绍。

在本实施例中，如图3所示，固定幅值输出恒流模块2包括主压控恒流源201、微分补偿电路202以及补偿压控恒流源203组成微分补偿压控恒流源、幅值调节电路204以及负补偿电压开关205。

正补偿电压v+作为主压控恒流源的输入通过一个电阻r1接入到幅值调节电路204的输入端，参考电压(基准电压)vref通过一个电阻r2接入到恒流模块选通控制开关3，在高位选通控制信号为高电平时，连接到幅值调节电路204的输入端，在高位选通控制信号为低电平时，恒流模块选通控制开关3将幅值调节电路204的输入端接地；同时，正补偿电压v-通过一个可调电阻r3，接入到负补偿电压开关205，在负补偿控制信号为高电平时，连接到幅值调节电路204的输入端，在负补偿控制信号为低电平时负补偿电压开关205将幅值调节电路204的输入端接地。

在本实施例中，如图1所示，参考电压vref和负补偿电压v-则受负补偿控制信号和各路高位选通控制信号kx(x＝1、2、3、4)控制，经幅值调节电路204后输入主压控恒流源201以及微分补偿电路202的输入端；

其中主压控恒流源201是脉冲电流输出的核心电路，当基准电阻一定时，其输出脉冲电流幅值、脉宽由输入基准电压幅值、脉宽决定。在本实施例中，为4组固定幅值输出恒流模块提供幅值相同的参考电压vref，为实现输出电流幅值分别为2a、4a、2a、1a的目的，在开关k4、k3、k2和k1导通期间利用参考电压幅值调节电路204为每一路主压控恒流源以及一个与主压控恒流源并联的微分补偿压控恒流源提供所需幅值的基准电压vsdx(x＝1、2、3、4)，使每一个固定幅值输出恒流模块2输出所需幅值的脉冲电流。正负补偿电压通过为主压控恒流源201、补偿压控恒流源203中的场效应管提供正负补偿电压，从而提升其开启速度，达到缩短输出脉冲电流上升时间的目的，微分补偿压控恒流源的输出为尖峰脉冲电流idx'，叠加在主压控恒流源的输出脉冲电流idx上则可补偿脉冲电流的上升沿。

0-0.99a幅值可调恒流模块1则由幅值拨码开关后两位即即十分位、百分位输出通过d/a转换获得幅值可调的基准电压vsd0后，送入幅值可调恒流模块输入端，从而输出幅值在0-0.99a之间可调的脉冲电流。

图4为固定幅值输出恒流模块中叠加微分补偿电流前后，输出脉冲信号上升沿的情况，可以看出仅由主压控恒流源输出的脉冲电流idx上升沿不是很陡峭，叠加微分补偿电流即一个尖峰脉冲电流idx'后，最终输出脉冲电流ix上升沿得到补偿，改善了输出波形的质量。

2.1)、主压控恒流源

主压控恒流源201是脉冲电流产生的核心电路，当基准电阻一定时，输出脉冲电流幅值由输入参考电压(基准电压)幅值决定。而脉冲电流的脉宽则通过对场效应管截止、导通状态的控制实现。

当给场效应管的栅极施加脉冲电压控制信号(高位选通控制信号选择参考电压形成，参考电压为一个负电压)，即脉冲电压控制信号变为负时，场效应管将在脉冲电压控制信号的下降沿，从截止状态变为导通状态，由于场效应管管内导电通道的形成需要一个过程，所以场效应管的导通不是瞬间完成的，其两端电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，这个电流上升的时间就是最终输出脉冲电流的上升时间。所以输出脉冲电流上升沿的速率与开关管导通速度有关，开关管导通越快，输出脉冲电流上升沿越陡峭。由于场效应管从完全截止状态变化到完全导通状态所克服的导通损耗较大，若在脉冲宽度控制信号来之前给场效应管栅极提供一个幅值较小的负补偿电压进行开启，则可使管子处于微导通状态，这样当脉冲电压控制信号(接通参考电压)到来时，场效应管将从微导通状态向完全导通状态变化，从而提高了场效应管导通的速度，缩短了输出脉冲电流的上升时间。同时为了保证场效应管安全工作，在脉冲电压控制信号非有效电平区间为场效应管栅极提供一个正的电压信号，可以使得场效应管处在可靠截止状态，保证脉冲电流源无电流产生。

在本实施例中，脉冲电流源最大输出电流imax为9.99a，最大负载电阻rlmax为5ω，为使主压控恒流源201可以向负载提供全量程范围内幅值可调的脉冲电流，故根据公式va＝imaxrlmax+20v(20v为安全电压裕量)计算可得uag＝70v。

主压控恒流源201中的运放u担任比较放大的作用，根据其虚短和虚断特性有:

vn＝vp＝vsdx

则输出电流幅值idx为：

idx＝(uag-vsdx)/rsd

看出输出电流的幅值由基准电压vsdx和基准电阻rsd决定，而与负载变化无关。所以当固定模拟参考地电压和基准电阻一定时，输出电流幅值仅与基准电压呈线性关系变化。在本实施例中，4个固定幅值输出恒流模块均输入幅值相同的参考电压vref，将一个同比例放大电路作为幅值调节电路204，为每一路主压控恒流源提供所需幅值的基准电压vsdx(x＝1、2、3、4)，从而输出电流幅值分别为2a、4a、2a、1a的脉冲电流。

电路中不同位置的电容c1、c2和c3对输出脉冲波形有不同调节作用。滤波电容c1可以起到平滑输入脉冲电压的作用，积分环节电容c2可以保证输出脉冲波形无震荡、无过冲，波形平滑。电容c3可以提高电路响应速度，提升输出脉冲信号上升沿。在对硬件电路进行调试时需仔细调节三个电容容值，使得输出脉冲电流波形平滑，上升沿陡峭。

此外运放作为压控恒流源电路的重要组成部分，不仅起到调节电流恒定输出的作用同时也作为场效应管栅极驱动源控制场效应管的导通和截止从而输出脉宽可调的脉冲电流。所以场效应管的导通速度决定着输出脉冲电流的上升时间。若压控恒流源电路为场效应管栅极提供上升沿较缓的脉冲驱动电压则会直接影响场效应管的导通速度从而增加输出脉冲电流的上升时间。在运算放大器的各项参数中转换速率sr就是就是用来描述在大幅值信号输入时运放输出端电压在单位时间内变化量的最大值，是衡量运放工作速度的参数，可由下式表示。

通过公式可以看出sr越大，表示运放对高速变化的输入信号的响应能力越好。在本设计中为使运放在脉冲基准电压的控制下输出上升沿陡峭的场效应管栅极控制电压则应选择转换速率较高的运放，通过对采用不同型号运放的输出进行对比，在本实施例中最终选择使用adi公司的高速运放op37，其转换速率sr＝17v/μs，开环增益aod＝1.8×10⁶，满足脉冲电流源系统设计要求。

2.2)、正负补偿部分

根据如图5电路原理示意图可以看出在固定幅值输出恒流模块2工作期间正补偿电压v+一直输入主压控恒流源201的同相端，而负补偿电压v-和参考电压vref则受负补偿控制信号和高位选通控制信号kx控制，按照一定时序输入主压控恒流源201同相输入端。为使场效应管在高位选通控制信号kx来临前微导通，向恒流模块选通控制开关3提供如图6(a)(b)所示的负补偿控制信号和高位选通控制信号kx：负补偿控制信号在高位选通控制信号kx变为高电平之前，提前变为高电平，在高位选通控制信号kx变为低电平之后，再变为低电平。而同相比例放大电路输入端电压vp如图6(c)所示。

图6(c)中，v+'＝(v+)·au，v-'＝[(v-)+v+]·au，vsdx＝[vref+(v-)+v+]·au，其中au是同相比例放大电路的放大倍数，v-'和vsdx分别是在负补偿控制信号单独作用期间以及负补偿控制信号和各脉冲电流产生模块的选通信号kx同时作用期间通过电压叠加产生的。

由于主压控恒流源201输出端有稳压二极管dz的存在，所以在仅有正补偿电压输入时，将为场效应管栅极提供最高为0.7v的正电压，场效应管保持截止状态。当负补偿控制信号控制负补偿电压v-输入主压控恒流源中放大器同相端同相端后，脉冲电流源将输出脉宽与负补偿控制信号相同，幅值为i-＝v-'/rsd的脉冲电流，此时场效应管处于微导通状态。当脉冲电压控制信号控制基准电压输入主压控恒流源201同相输入端时，脉冲电流源将输出脉宽与脉宽控制信号相同，幅值为i-＝vsd'/rsd的脉冲电压。主压控恒流源同相输入端电压up、输出端电压ug和输出脉冲电流id的关系如图7所示。

负补偿电压的提供使得场效应管可以提前导通，缩短了输出脉冲电流的上升时间，但同时也给脉冲电流源输出带来了幅值为v-'/rsd的电流偏移量。为了消除在负补偿期间输出的偏移电流对最终输出脉冲电流幅值精度的影响。在脉冲电流输出端并联一个同样受负补偿控制信号控制且可输出幅值与电流偏移量大小相同的恒流源，则可消除此电流偏移量抵消。

在本实施中，设计的小电流吸收电路的本质就是可控脉冲恒流源，其电路原理图如图8所示。

根据电路原理图可知，小电流吸收电路由三只三极管q1、q2和q3组成，其中q1和q3是npn型管子，q2是pnp型管子。电路输入的负补偿控制信号为低电平时，q1、q2、q3均处在截止状态，电路无电流产生。当负补偿控制信号为高电平时q1发射结正偏，集电结反偏，管子导通，电阻r2接地。r2和r3对vcc分压向q2提供基极电压，从而使q2导通。q2的集电极电流又为q3提供了基极电流从而使q3导通，由于稳压二极管dz的存在使得q3基极电压稳定在值当三极管放大倍数β＞＞2时，q3输出的集电极电压可根据下式计算得到。

由上式可知，小电流吸收电路输出的脉冲电流幅值由稳压管稳定电压和调整电阻rt决定。当稳压管的稳压值确定后，输出电流幅值仅由rt阻值线性决定。

根据以上分析，小电流吸收电路仅在负补偿控制信号作用期间产生恒定电流，并分流主压控恒流源201输出，当调节电阻rt阻值使电路输出脉冲电流幅值与负补偿电压引起电流偏移量幅值相同时，可完全消除由于负补偿电压引入为主脉冲恒流源带来的输出偏移量。小电流吸收前后系统输出情况如图9所示：

2.3、叠加微分补偿电路

选择转换速率高的运放和提供场效应管负补偿电压均是从提升场效应管开关速度的角度提出缩短脉冲电流上升时间的方案，而叠加微分补偿电路202则是从对输出脉冲电流波形的直接补偿的角度出发，通过将微分补偿电路输出尖脉冲电流与并联压控恒流源电路输出的脉冲电流相并联后输出，起到补偿原本不太陡峭的脉冲电流上升沿的作用，微分补偿电路原理图如图10所示。

其中微分补偿电路由电容c和电阻r组成。微分电路的时间常数τ＝r×c，当τ远小于输入方波的宽度时，输出usdx'与输入usdx近似满足下式所示函数关系。

在实际微分补偿电路的使用中，输出的微分尖脉冲幅值不会达到无穷大，而是受输入信号幅值限制的有限值。在本实施例中，为使微分补偿电路输出与并联压控恒流源电路输出同步，将脉冲方波的基准电压usdx作为微分电路的输入，则输出微分电压usdx'的是如图11所示受输入电压幅值限制的一正一负两个尖脉冲。

由于微分电路对高频噪声十分敏感，抗干扰能力较差，电阻r1的引入可以在微分电容和后级运放之间起到一定的隔离作用。同时后级放大也选择了具有高输入阻抗、低输出阻抗的同相比例放大电路，有助于提高系统输出的稳定性。此外电路中二极管d可将正向尖脉冲滤除，只保留负向尖脉冲作为压控恒流源电路的输入，控制其产生尖脉冲电流信号。

经过微分电路输出的微分控制信号usdx'、压控恒流源电路输入信号uinx和压控恒流源电路输出的尖峰脉冲电流idx'如图12所示。

由脉冲电流产生电路整体结构可知微分补偿电路输出的尖脉冲电流idx'将与压控恒流源电路输出的方波脉冲电流idx相叠加作为系统最终输出的脉冲电流ix。

3、实验结果

在本实施例中，列出了5ω负载电阻下，采用组合法输出脉冲电流幅值分别为2.50a，5.00a，9.00a时负载两端脉冲电压波形及上升沿情况，分别如图13、14、15所示。

如图13所示，脉冲电流值/a为2.50a时，图13(a)为负载电阻处完整脉冲电压波形，图13(b)为负载电阻处脉冲电压上升沿，其静态指标为tr＝8.8us和动态指标mp＝3.8％。

如图14所示，脉冲电流值/a为5.00a时，图14(a)为负载电阻处完整脉冲电压波形，图14(b)为负载电阻处脉冲电压上升沿，其静态指标为tr＝8us和动态指标mp＝4％。

如图15所示，脉冲电流值/a为9.00a时，图15(a)为负载电阻处完整脉冲电压波形，图15(b)为负载电阻处脉冲电压上升沿，其静态指标为tr＝8us和动态指标mp＝4.4％。

从图13、14、15，我们可以看出，输出的脉冲电流上升沿得到补偿，缩短脉冲电流上升时间，改善了输出波形的质量。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。