基于mos場效應管的恒流源設計

基于mos場效應管的恒流源設計

1恒流源的選擇恒流源廣泛應用于現(xiàn)代測量和測試領域。文獻介紹，使用恒流源供電可以提高標準燈的穩(wěn)定性。在文獻中，恒流源的阻力法比用伏安法更準確。恒流源按照恒流器件不同可分為晶體管恒流源、集成電路恒流源、場效應管恒流源。晶體管恒流源的電流控制器件穩(wěn)流精度不高;集成電路恒流源適合小電流恒流但很難做大;場效應管是一種電壓控制器件,它的輸入電阻非常高。柵極幾乎不取電流,非常適合作恒流源的調整管。本設計用P溝道增強型場效應管設計的恒流源精度優(yōu)于0.5%.2恒流源電路的設計圖1是場效應管的轉移特性和輸出特性。從轉移特性曲線上,我們知道場效應管的漏源電流Id由它的柵源電壓決定;在輸出特性曲線上,場效應管工作可以分為四個區(qū):可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(放大區(qū))、擊穿區(qū)、夾斷區(qū)。在可變電阻區(qū)漏源電流隨漏源電壓、柵源電壓的增大而增加;在恒流區(qū)漏源電流為恒定值,其大小由柵源電壓控制,隨著漏源電壓的繼續(xù)增大場效應管進入擊穿區(qū),管子會損壞,當柵源電壓低于管子的開啟電壓時,管子進入夾斷區(qū),漏極源極上幾乎沒有電流流過。因此只要讓管子工作在恒流區(qū),就能實現(xiàn)恒流,并且改變柵源電壓就能改變恒流的大小。基于場效應管的恒流源電路原理圖如圖2所示,電流經過采樣電阻轉換為采樣電壓。采樣電壓經運放A2反向放大后作為反饋電壓VF送入運放A1的同相端,與基準電壓VR進行比較,對柵極電壓進行調整,從而對輸出電流進行調整,使整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)平衡中,以達到穩(wěn)定輸出電流的目的。如果輸出電流增大,則采樣電阻上的采樣電壓隨之增大,反饋電壓VF也增大,運放A1同相端電壓增大,而基準電壓不變,運放A1的輸出電壓為(VF-VR)K(K為運放A1的開環(huán)增益),因此運放A1的輸出電壓降低,柵極電壓下降從而使輸出電流下降,使輸出電流保持穩(wěn)定。利用運放的虛短、虛斷及相關的公式,可以推導出VR與Id的關系:可見輸出電流只和電阻R,R1,R2,VR有關,與場效應管的參數(shù)無關。只要選擇合適的電阻和基準源,就能實現(xiàn)恒流。在理想情況下R1,R2,R都是恒定不變的,由式(1)可知輸出電流Id與基準源電壓VR成線性關系。但在實際情況中電阻的溫度系數(shù)和電壓基準源的溫度系數(shù)將影響輸出電流的穩(wěn)定性,對式(1)進行全微分:式中包括4項,其物理意義分別是:表示基準電壓不穩(wěn)定產生的影響。表示反饋電阻R2不穩(wěn)定產生的影響。表示反饋電阻R1不穩(wěn)定產生的影響。表示采樣電阻不穩(wěn)定產生的影響。由于采樣電阻R一般取0.1×1Ω,反饋網絡電阻R1、R2為104或105數(shù)量級,基準電壓VR常由集成基準電壓芯片產生,其數(shù)值一般不超過5V。因此有|α4dR|>|α1dVR|,α2≈α3,這說明影響輸出電流穩(wěn)定度的主要因素是電壓基準源的穩(wěn)定度和采樣電阻的溫度系數(shù),另外運放和場效應管的選擇也會影響到恒流源的精度。3采樣電阻的選用根據(jù)上面的分析可知影響恒流源穩(wěn)定性的主要因素是基準電壓VR和采樣電阻R?；鶞孰妷翰捎眉扇丝烧{穩(wěn)壓器TL431。它的參考電壓Vref典型值為2.495V、輸出電壓從Vref到36V、溫度系數(shù)為30×10-4/℃、輸出阻抗0.2Ω,低噪聲、工作電流1mA~100mA。其工作電路如圖3所示?；鶞孰妷篤R由參考電壓Vref經電阻R1、RP分壓獲得,調整RP的大小可以改變基準電壓VR。由于采樣電阻上流過的電流很大,為了減小功耗和發(fā)熱,采樣電阻取值要求比較小。根據(jù)電流的大小和功耗一般取值在0.1Ω~1Ω。本設計采用高精度金屬殼散熱式電阻,它具有體積小、精度高、功率大等優(yōu)點,阻值為0.4Ω。另外在接線的時候要注意采樣電阻接地端的導線要盡可能的短,導線過長導線的電阻與取樣電阻相比不可忽略,而且導線的電阻穩(wěn)定性很差。導線上的電壓降會影響反饋電壓的穩(wěn)定性,導致恒流源的穩(wěn)定性下降。運放要選擇失調電壓小、溫漂小、增益大的型號,本設計采用通用運放uA741,其開環(huán)增益為105,失調電壓1mV,失調電流20nA。反饋電阻R1、R2選用高精度電阻。由于采樣電阻的阻值與標稱值有一定的誤差,因此在反饋電阻上串聯(lián)一個高精度的可調電阻用來對反饋電壓進行微調,使輸出電流保持在預定值。場效應管選擇摩托羅拉公司生產的P溝道增強型場效應管MTD2955E。它的最大漏極電流12A,最大工作電壓60V,最大功耗75W。另外由于流過場效應管的電流大。場效應管的發(fā)熱會很嚴重。為了保證恒流源的穩(wěn)定和場效應管不被損壞,要給場效應管加裝散熱片。散熱片的大小可以根據(jù)場效應管的功耗、熱阻進行選擇。4采樣電阻選擇電路調試完畢以后,通過調整電位器RP改變基準電壓VR的大小來控制恒流源的輸出電流的大小。在穩(wěn)定性分析中我們知道采樣電阻的溫漂是影響輸出電流穩(wěn)定的主要因素。在供電電壓為27V、采樣電阻為0.4Ω、預熱15min后每隔10min測得的數(shù)據(jù)如表1所示。可見采樣電阻的溫度隨著時間的增加而增大,在一定時間后達到動態(tài)平衡。達到平衡后輸出電流幾乎不再發(fā)生變化。因此采樣電阻要選擇溫度系數(shù)小、散熱好的電阻。在電路設計中場效應管的散熱也是一個需要解決的問題。在場效應管的破壞性試驗當中我們發(fā)現(xiàn)當場效應管MTD2955E的溫度達到80℃~95℃時場效應管會損壞,并且場效應管功耗只能達到最大功耗的2/3左右。功耗再增大也容易損壞場效應管。其中一組數(shù)據(jù)如表2。由此可見場效應管的發(fā)熱量非常的大,需要采用面積很大的散熱片,其面積可根據(jù)相關的公式計算得到。為了減少散熱片的面積,采用風冷方式散熱,效果更好。在解決散熱問題后,當供電電壓為27V、采樣電阻為0.4Ω下預熱15min每隔10min測得的數(shù)據(jù)如表3、表4所示。表3中輸出電流的平均值為,標準差σ=0.0085A,穩(wěn)流精度表4中輸出電流的平均值為,標準差σ=0.0086A,穩(wěn)流精度.最后我們設計了一個2A恒流源其測得的數(shù)據(jù)如表5。輸出電流的平均值為,標準差σ=0.0088A,