新型双运放浮地电流源的设计

南昌航空大学大学生科技创新基金项目专家评审表（活页）项目编号：项目名称电磁铁用双极性压控电流源申请金额3800元项目类别□小发明■小制作□小创作项目来源□自主立题■教师指导选题1．研究目的及意义：电流源是一种能向负载提供恒定电流的电路，它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点，又可以作为其有源负载以提高放大倍数，在差动放大电路，脉冲产生电路中得到了广泛应用。

其可做为信号源的试验室装置，如校验仪器等；做为信号源的手动调节的现场设备，如调节阀、变频器等；可控制恒流源，如电压控制恒流源往往是自动化控制系统不可缺少的组成部分。

例如，在对现场信号的测量变送当中，经常需要将电压信号变换成一定的电流信号以便进行远距离传送和提高抗干扰能力。

典型的DDZ-Ⅱ及DDZ-Ⅲ型电动调节仪表的变送单元都采用了电压控制恒流源电路；在用计算机直接控制以电流输入的执行机构的场合，由于计算机的D／A输出一般均为电压信号，因而，电压控制恒流源也是必需的；在微机化的仪表校验装置中，向外提供任意电流的恒流源，由于如上的原因，也必须使用电压控制恒流源电路。

本课题为5000Gs左右电磁铁设计并实现双极性压控电流源。

由于目前用于霍尔效应实验、巨磁电阻测量、直流电量测量、薄膜的磁电阻特性测量、磁性薄膜实验、薄膜金属电阻动态监测、磁场测量、磁学试验、磁学性质、材料实验等研究的5000Gs左右的电磁铁非常普及，很多实验室为了完成自己特色研究对磁场的产生需要有严格的控制，比如磁场随时间按设定的程序改变，这就需要为电磁铁专门制作由信号控制的压控电流源。

这种电流源一般输出为4A，要求静态输出电流在2mA以下，避免零信号时还存在静态输出电流所产生的磁场，在一些磁性材料的研究或测量中静态输出电流必须接近零。

这种电流源还要求实现连续的双向输出，也就是当输入电压为负时，电流必须连续地平稳地改变方向，这与目前众多的续电器变向的电流源设计上要求更高。

在科学研究领域，很多实验研究用的仪器需要按照自身研究特点来改造，特别是在磁性材料的研究中，电磁铁电源的设计与制作关系到实验研究是否能够进行，为此很多研究人员因为找不到合适的电磁铁电流源而影响研究进度。

用两只仪表放大器制作精密的电压-电流源很多设计都需要精密的压控电流源，尤其是在可变负载情况下。

通常的方法是使用几支运放和一些无源元件，但由于元器件特性不理想而会有固有的误差，如有限的开环增益、共模抑制、偏置电流和补偿电压。

采用运算放大器的设计可能需要使用设定增益精密电阻，以及保持稳定的额外电容。

另外，有些电路设计提供的电流并不与输入电压直接成正比。

例如，图1中的电压-电流转换器就要求集电极电流约等于射级电流，并且只提供一个方向的电流。

图1，电压-电流转换器的基础是集电极电流约等于射极电流，并只沿一个方向提供电流。

使用两支仪表放大器和两支电阻，可以构造一个0.01%精度的压控电流源（图2）。

该电流源有±10V的输入电压摆幅，与输出电流成正比。

即使在高达90mA 输出电流时也能保持高精度。

Analog Devices公司的AD620小功率低漂移仪表放大器提供电路控制和误差校正，但不是输出电路的一部分。

因此，Q1和Q2可以替换为大功率晶体管，以实现更高的输出电流。

可以将仪表放大器配置成从1~10000的任意增益，以适应低于1mV的输入信号。

简单地在IC1和IC2的输入端跨接一个电阻，就可以实现所需的增益。

图2，这款制作方便的电压-电流转换器可在一系列情况下提供较高的精度。

第一个仪表放大器IC1控制推挽输出级的基极电压。

电阻与二极管偏置Q1和Q2，以消除交越失真。

IC2提供误差校正，以及处理基射电压的增量。

误差电压（D1/D2结与输出电压的测量差值）送至IC1的基准脚，并与输入电压相加。

相加结果就是一个与输入电压成正比的输出电流。

此电路在±10V输入范围内实现了0.01%的典型直流精度，以及1kHz时输出电压为±5V峰峰值的1.5%典型交流精度。

计算输出电流的方程为：其中因此，或此电路提供宽的输出范围，以及与输入电压直接成正比的输出电流，并有高的线性度和精度（图3）。

图3，图2中的电路提供宽的输出范围，输出电流与输入电压成正比，并实现高线性度和精度。

用运算放大器组成万用电表的设计与调试一、实验目的1、设计由运算放大器组成的万用电表2、组装与调试二、设计要求1、直流电压表满量程 +6V2、直流电流表满量程 10mA3、交流电压表满量程 6V，50Hz～1KHz4、交流电流表满量程 10mA5、欧姆表满量程分别为1KΩ，10KΩ，100KΩ三、万用电表工作原理及参考电路在测量中，电表的接入应不影响被测电路的原工作状态，这就要求电压表应具有无穷大的输入电阻，电流表的内阻应为零。

但实际上，万用电表表头的可动线圈总有一定的电阻，例如100μA的表头，其内阻约为1KΩ，用它进行测量时将影响被测量，引起误差。

此外，交流电表中的整流二极管的压降和非线性特性也会产生误差。

如果在万用电表中使用运算放大器，就能大大降低这些误差，提高测量精度。

在欧姆表中采用运算放大器，不仅能得到线性刻度，还能实现自动调零。

1、直流电压表图22－1为同相端输入，高精度直流电压表电原理图。

为了减小表头参数对测量精度的影响，将表头置于运算放大器的反馈回路中，这时，流经表头的电流与表头的参数无关，只要改变R一个电阻，就可进1行量程的切换。

130131图22－1 直流电压表表头电流I 与被测电压U i 的关系为 1iR U I应当指出：图22－1适用于测量电路与运算放大器共地的有关电路。

此外，当被测电压较高时，在运放的输入端应设置衰减器。

2、 直流电流表图22－2是浮地直流电流表的电原理图。

在电流测量中，浮地电流的测量是普遍存在的，例如：若被测电流无接地点，就属于这种情况。

为此，应把运算放大器的电源也对地浮动，按此种方式构成的电流表就可象常规电流表那样，串联在任何电流通路中测量电流。

图22－2 直流电流表132表头电流I 与被测电流I 1间关系为－I 1R 1＝（I 1－I ）R 2121)I R R (1I +=∴ 可见，改变电阻比（R 1／R 2），可调节流过电流表的电流，以提高灵敏度。

1.1 运放的典型设计和应用1.1.1 运放的典型应用运放的基本分析方法：虚断，虚短。

对于不熟悉的运放应用电路，就使用该基本分析方法。

运放是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。

1)运放在有源滤波中的应用图5.2有源滤波上图是典型的有源滤波电路（赛伦-凯电路，是巴特沃兹电路的一种）。

有源滤波的好处是可以让大于截止频C50和C2012)图3)U5B （上图中下边的运放）为电压跟随器，故V4 V1=;由运算放大器的虚短原理，对于运放U4A （上图中上边的运放）有：V5 V3=；而 ()4212020V4-Vref V5V R R R ++∙=； ()01918190-V2 V3++∙=R R R ;有以上等式组合运算得：Vref V1 V2=-当参考电压Vref 固定为1.8V 时，电阻R30为3.6Ωk ,电流恒定输出0.5mA 。

该恒流源电路可以设计出其他电流的恒流源，其基本思路就是：所有的电阻都需要采用高精度电阻，且阻值一致，用输入的参考电压（用专门的参考电压芯片）比上阻值，就是获得的输出电流。

但在实际使用中，为了保护恒流源电路，一般会在输出端串一只二极管和一只电阻，这样做的好处第一是防止外界的干扰会进入恒流源电路，导致恒流源电路的损坏，二是可以防止外界负载短路时，不至于对恒流源电路造成损坏。

4)整流电路中的应用图5.5整流电路上述电路是一个整流电路，将输入的一定频率的脉冲整流成固定的电平电压，再用此电压控制4-20mA电流的输出电流。

该电路功能类似一些DAC功能的接口。

5图入ADC图6图7图其动态的响应速度会非常慢，请谨慎使用。

获得+VCC/2后，我们可以用单电源实现信号放大功能，如下图：图5.10单电源的应用该电路中R66=R67//R68，信号的输出增益G=-R67/R68。

具体应用如下图运放为单+5V_AD供电，AD芯片的电压是3.3V（基准电压芯片REF3033得到），该3.3V再电阻分压和经过运放跟随后得到1.65V，给到运放的同相输入端图5.11单电源差分输入并放大的应用1.1.2 运放的应用要点2《模拟电子技术基础》童诗白主编《电子技术》许泽鹏主编。