《傳感器原理及應(yīng)用技術(shù) 》課件第11章

11.1信號(hào)變換11.2驅(qū)動(dòng)電路分析及外圍電路器件選擇思考題與習(xí)題

第11章傳感器應(yīng)用技術(shù)11.1信號(hào)變換

在實(shí)際應(yīng)用中,敏感元件或傳感器輸出的信號(hào)可能是直流電壓、直流電流,也可能是交流電壓、交流電流,甚至是電阻值、電容值等等。在進(jìn)行處理、傳輸、接口、顯示記錄過(guò)程中,常常需要借助于各種信號(hào)變換器進(jìn)行信號(hào)變換。

這些變換通常包括： ①利用I-U變換把直流電流（I）變換成直流電壓（U）； ②利用u-U變換把交流電壓（u）變換成直流電壓（U）（亦稱AC-DC變換）； ③利用i-U變換把交流電流（i）變換成直流電壓（U）； ④利用R-U變換把電阻值（R）變換成直流電壓（U）（亦稱Ω-U變換）； ⑤利用C-U變換把電容量（C）變換成直流電壓（U）； ⑥利用f-U變換把頻率（f）變換成直流電壓（U）。

11.1.1電流-電壓（I-U）變換器 最簡(jiǎn)單的電流-電壓變換電路如圖11.1所示。 顯然，Uo=IiR,因此,Uo與電流Ii成正比。圖11.1最簡(jiǎn)單的電流-電壓變換電路圖11.2簡(jiǎn)單電流-電壓變換電路

通常采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器,如LM356、CF3140、F071～F074、F353等,可方便地組成電流-電壓變換器。一個(gè)簡(jiǎn)單的方案如圖11.2所示。它能提供正比于輸入電流的輸出電壓,比例常數(shù)就是反饋電阻R,即

Uo=-IiR

如果運(yùn)算放大器是理想的,那么它的輸入電阻為∞,輸出電阻為零。R阻值的大小僅受運(yùn)放的輸出電壓范圍和輸入電流大小的限制。 一種大電流-電壓變換電路如圖11.3所示。該電路中,利用小阻值的取樣電阻Rs把電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉?再用差動(dòng)放大器進(jìn)行放大。輸入電流在0.1～1A范圍內(nèi),變換精度為±0.5%。

根據(jù)該電路的結(jié)構(gòu),只要選R1=R2=RF,R3=R4=R5=R6=Rf,則差動(dòng)放大倍數(shù)為 由上式可見,R7越小,Kd越大。調(diào)節(jié)Rw2,可以使Kd在58～274內(nèi)變化。當(dāng)Kd=100時(shí),電流-電壓變換系數(shù)為10V／A。運(yùn)算放大器必須采用高輸入阻抗（107～1012Ω）、低漂移的運(yùn)算放大器。

圖11.3大電流-電壓變換電路

另一種微電流-電壓變換電路如圖11.4所示。該電路只需輸入5pA電流,就能得到5V電壓輸出。圖11.4中,輸入級(jí)CH3130本身輸入阻抗極高,加上因同相輸入端和反相輸入端均處于零電位,進(jìn)一步減小了漏電流。如果對(duì)輸入端接線工藝處理得好,其漏電流可以小于1pA。 第二極CH3140接成100倍反相放大器。根據(jù)輸入電流的極性,一方面產(chǎn)生反相的電壓輸出,一方面提供負(fù)反饋,保證有穩(wěn)定的變換系數(shù)。

該電路的一個(gè)特點(diǎn)在于反饋引出端不是在Uo,而是在100Ω和9.9kΩ電阻中間。按常規(guī)的接法,10GΩ反饋電阻產(chǎn)生的變換系數(shù)為1010,即5pA電流產(chǎn)生0.05V電壓。但是該電路的反饋從輸出電壓的1／100分壓點(diǎn)引出,將靈敏度提高了100倍。于是,當(dāng)輸出Uo=5V時(shí),反饋電阻兩端的電壓為50mV,這時(shí)所需電流僅50mV／10GΩ=5pA。圖11.4微電流-電壓變換電路

11.1.2電壓-電流（U-I）變換器

1.負(fù)載浮動(dòng)的U-I變換器

一個(gè)簡(jiǎn)單的U-I變換器電路如圖11.5所示。它類似于一個(gè)同相放大器,RL的兩端都不接地。利用運(yùn)算放大器的分析概念,可得輸出電流與輸入電壓的關(guān)系為

調(diào)節(jié)Rw就可以改變輸入電壓與輸出電流之間的變換系數(shù)。通常所用的運(yùn)算放大器其輸出最大電流約為20mA。為了降低運(yùn)算放大器功耗,擴(kuò)大輸出電流,在運(yùn)算放大器的輸出端可加一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路,如圖11.6所示。該電路的輸入為0～1V,輸出為0～10mA。圖11.5負(fù)載浮動(dòng)的U-I變換電路圖11.6一種改進(jìn)的U-I變換電路

2.負(fù)載接地的U-I變換器

一種負(fù)載接地的U-I變換電路如圖11.7所示。該變換器的工作原理與浮動(dòng)負(fù)載U-I變換器的類似。所不同的是,電流采樣電阻R7是浮動(dòng)的,而負(fù)載RL則有一端接地,所以需要兩個(gè)反饋電阻R3和R4。當(dāng)R1=R2,R3=R4+R7時(shí),輸出電流為圖11.7負(fù)載接地的U-I變換電路

對(duì)于來(lái)自傳感器的微弱電壓信號(hào),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸是比較困難的。此時(shí),將電壓信號(hào)變換為電流信號(hào)后再進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸,就可得到滿意的效果。圖11.8所示就是一個(gè)精度較高的電壓-電流變換電路。圖11.8中,運(yùn)算放大器A1、A2以及有關(guān)元件一起組成差動(dòng)放大器,其共模和差模輸入阻抗高達(dá)109Ω。A1和A2經(jīng)過(guò)選配,可獲得很低的溫度漂移和很強(qiáng)的共模抑制能力。放大倍數(shù)在34～200之間連續(xù)可調(diào)。圖11.8高精度U-I變換電路

運(yùn)算放大器A3以及周圍元件組成一個(gè)高精度的壓控雙向電流源。當(dāng)Ui=0時(shí),A3的輸入也為零,達(dá)到平衡,其靜態(tài)電流在Rb上產(chǎn)生壓降,給四只晶體管提供一定的偏置。當(dāng)A3

的輸入端出現(xiàn)差動(dòng)信號(hào)時(shí),其正、負(fù)電源線上的兩個(gè)電流就不相等,二者朝相反的方向變化,從而使復(fù)合管V1V2、V3V4的電流也朝相反的方向變化,這兩個(gè)電流的差值就是輸出電流Io。 從復(fù)合管的發(fā)射極取出負(fù)反饋信號(hào)給A3,不僅提高了輸出電流Io的穩(wěn)定性,而且抑制了共模信號(hào)對(duì)輸出的影響。采用復(fù)合管可提供很大的負(fù)載電流,負(fù)載既可直接接地,也可浮動(dòng),并且能帶動(dòng)多個(gè)負(fù)載同時(shí)工作。

11.1.3交流電壓-直流電壓（u-U）變換器和 交流電流-直流電壓（i-U）變換器 把交流電壓變換成直流電壓亦稱AC-DC變換。圖11.9是使用二極管的整流電路,利用半波整流把交流電變成直流電。直流輸出電壓Uo可用下式表示： 式中:Um是被測(cè)交流電壓的峰值。但是,從圖11.10所示的硅二極管的正向伏安特性可以看出,用硅二極管進(jìn)行半波整流時(shí),如果Um

＜0.5V,則輸出電壓Uo≈0。顯然,該電路不能把峰值在0.5V以下的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。

為此,可采用圖11.11(a)所示的由運(yùn)算放大器構(gòu)成的線性整流電路。這時(shí),Um與Uo呈線性關(guān)系,如圖11.11(b)所示。實(shí)際應(yīng)用中,圖11.11(a)所示電路的輸出端對(duì)地還要接濾波電容,使輸出電壓Uo平滑。圖11.9簡(jiǎn)單整流電路圖11.10硅二極管的正向伏安特性曲線圖11.11由運(yùn)算放大器構(gòu)成的線性整流電路（a）使用運(yùn)算放大器的整流電路；（b）修正后的硅二極管正向伏安特性曲線

如果要測(cè)量輸入正弦波的有效值,還需增加一級(jí)放大器并能對(duì)放大器的增益進(jìn)行調(diào)整,以便對(duì)輸入正弦波的有效值進(jìn)行校準(zhǔn)。圖11.12所示就是一種實(shí)用的電路。 該電路是由半波整流電路和平均值-有效值轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的線性變換電路。考慮到下級(jí)是反相放大器,圖中V2的輸出（即R5的輸入）是負(fù)半周整流波形。20μF電容起平滑作用,使輸出得到直流。與R7相串的電位器Rw用來(lái)調(diào)整,可使平均值等于有效值。輸出端將得到與交流電壓的有效值相等的直流電壓輸出。

i-U變換即把交流電流變換成直流電壓,可按照?qǐng)D11.13所示的方框圖進(jìn)行。

圖11.12實(shí)用交流電壓-直流電壓變換電路圖11.13i-U變換器方框圖 11.1.4電阻-電壓（R-U或Ω-U）變換器 把電阻值變換成直流電壓的一種電路如圖11.14所示。Ux與電阻Rx有如下關(guān)系：

電源電壓Es和分壓電阻Rs均為定值,于是電阻Rx就可變換成直流電壓Ux。但是Ux與Rx呈非線性關(guān)系,實(shí)際中很少采用。 圖11.15是使用運(yùn)算放大器的R-U變換電路。該電路為反相比例放大器,其輸出電壓Uo為

Es和Ri均為定值,于是電阻Rx就可轉(zhuǎn)換成直流電壓Uo,且Uo

與Rx成正比關(guān)系。但是,連接Rx的a、b兩端均對(duì)地浮置,易受干擾,這是該電路的缺點(diǎn)。圖11.14電阻分壓式R-U變換電路圖11.15使用運(yùn)算放大器的R-U變換電路

如果使用恒流源進(jìn)行R-U變換,如圖11.16所示,就能取得很好的變換效果。因?yàn)闊o(wú)論Rx的阻值如何變化,流過(guò)Rx的電流Is恒定,有

Ux=Is

Rx

Ux與Rx成正比,且圖中b端可以接地。圖11.17所示就是利用運(yùn)算放大器作恒流源的一個(gè)例子。圖11.16使用恒流源的R-U變換電路圖11.17用運(yùn)算放大器作恒流源的變換電路

11.1.5電容-電壓（C-U）變換器 這里介紹一種C-U實(shí)用電路。它由ICM7556（國(guó)產(chǎn)型號(hào)有CC7556、5G7556）雙時(shí)基集成電路和阻容元件構(gòu)成,如圖11.18所示。它有5個(gè)電容擋：200pF、2nF、20nF、200nF、2μF。A1、A2是7556內(nèi)部的兩個(gè)完全相同的單時(shí)基電路。A1和R1、C1組成多諧振蕩器。由于未接定時(shí)電阻,所以振蕩脈沖的占空比q1接近100%,振蕩頻率f0=90Hz,周期T=0.011s。A1的輸出送至A2觸發(fā)端。A2和R2～R6、電容Cx組成單穩(wěn)觸發(fā)器。 例如,對(duì)200pF擋,A2輸出的脈沖寬度為

to≈R2Cxln3=10×106Cx×1.1=1.1×107Cx

圖11.18C-U變換電路

A2輸出的脈沖占空比為 即

Cx=q2×10-9=1000q2×10-12=1000q2(pF)

當(dāng)q2=0.1%時(shí),Cx=1pF；當(dāng)q2=20%時(shí),Cx=200pF。 因?yàn)镃x與q2成正比,而q2又與A2輸出電壓的平均值Uo有關(guān),所以,Uo的值就代表著Cx的大小。如圖中所示,如果接上數(shù)字面板表還可直接顯示Cx的值,而RP1、RP2分別用來(lái)調(diào)節(jié)滿量程和零點(diǎn)。

11.1.6電壓-頻率（U-f）變換器（簡(jiǎn)稱VFC）和頻率-電壓（f-U）變換器（簡(jiǎn)稱FVC）

VFC是輸出信號(hào)頻率正比于輸入信號(hào)電壓的線性變換裝置,其傳輸函數(shù)可表示為

fo=KUi

FVC是輸出信號(hào)電壓正比于輸入信號(hào)頻率的線性變換裝置,其傳輸函數(shù)可表示為

Uo=Qfi

由于集成U-f與f-U變換器不需要同步時(shí)鐘,因此,其成本比A／D（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和D／A（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）低得多,與計(jì)算機(jī)連接時(shí),特別簡(jiǎn)單。另外,電壓模擬量經(jīng)U-f變換成頻率信號(hào)后,其抗干擾能力大為增強(qiáng),故非常適用于遠(yuǎn)距離傳輸,在遙控系統(tǒng)以及噪聲環(huán)境下,更顯示出它的必要性。

目前,U-f和f-U變換器有模塊式（混合工藝）和單片集成（雙極工藝）式兩種。通常,單片集成式是可逆的,即兼有U-f和f-U功能,而模塊式是不可逆的。 對(duì)于理想的VFC和FVC，K、Q應(yīng)該為常數(shù),特性應(yīng)該為通過(guò)原點(diǎn)的直線,但實(shí)際上會(huì)出現(xiàn)非線性誤差。 模塊式VFC常采用恒流恢復(fù)型,FVC采用精密電荷分配器和積分平均電路。 單片集成式VFC大致分為超寬掃描多諧振蕩器式和電荷平衡振蕩器式,FVC基本分為脈沖積分式和鎖相環(huán)式。

VFC和FVC電路都可以用運(yùn)算放大器加上一些元件組成。然而由于目前單片集成式VFC、FVC和模塊式VFC、FVC組件已大量商品化,它們只要外接極少元件就可構(gòu)成一個(gè)高精密的VFC或FVC電路。如國(guó)產(chǎn)5GVFC32、BG382等及國(guó)外產(chǎn)AD6508、LM131／231／331等。 下面介紹一下LM331。

LM331是一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的VFC單片式集成電路,它的特點(diǎn)是： ①保證的最大線性度為0.01%; ②雙電源或單電源工作； ③脈沖輸出與所有邏輯形式相容； ④最佳溫度穩(wěn)定性的最大值為±50×10-6／℃; ⑤低功率消耗,5V下的典型值為15mW； ⑥寬的滿量程頻率范圍：1Hz～100kHz。

LM331的封裝及引腳排列如圖11.19所示。圖11.19LM331的封裝及引腳排列 LM331的電原理框圖如圖11.20所示,它包括一個(gè)開關(guān)電流源、輸入比較器和單脈沖定時(shí)器。圖11.20LM331的電原理框圖

電壓比較器將正輸入電壓UI（7腳）與電壓Ux比較,若UI大,則比較器啟動(dòng)單脈沖定時(shí)器,定時(shí)器的輸出將同時(shí)打開頻率輸出晶體管和開關(guān)電流源,周期為t=1.1RtCt。在這個(gè)周期中,電流i通過(guò)開關(guān)電流源向電容CL充電,電荷為Q=it。當(dāng)充電使Ux大于UI時(shí),電流i被關(guān)斷,定時(shí)器自行復(fù)位。 此時(shí),1腳無(wú)電流流過(guò),電容CL上的電荷逐漸通過(guò)RL放掉。直到Ux等于UI以后,比較器將重新啟動(dòng)定時(shí)器,開始另一個(gè)循環(huán)。 輸入電壓UI越大,定時(shí)器工作周期越短,輸出頻率fo越高,且fo正比于UI

。

LM331的典型應(yīng)用如圖11.21所示。圖11.21LM331的典型應(yīng)用 LM331構(gòu)成的精密VFC電路如圖11.22所示。電路中標(biāo)有*號(hào)的元件穩(wěn)定性要好,標(biāo)有**號(hào)的元件,對(duì)Us=8～22V,元件阻值用5kΩ或10kΩ,而對(duì)Us=4.5～8V,電阻必須是10kΩ。A1應(yīng)選用低失調(diào)電壓和低失調(diào)電流的運(yùn)算放大器。圖11.22精密VFC電路

LM331也可方便地用于頻率-電壓變換器（FVC）,如圖11.23所示。在圖示的電路中,fi的輸入脈沖經(jīng)C-R網(wǎng)絡(luò)微分,其6腳上的負(fù)沿脈沖引起輸入比較器輸出,觸發(fā)定時(shí)電路動(dòng)作,使輸出Uo為一脈動(dòng)直流電壓,該電壓的大小正比于輸入信號(hào)的頻率fi

。圖11.23精密FVC電路

11.1.7電壓-脈寬（U-H）變換器

U-H變換器是用來(lái)將電壓信號(hào)變換為脈沖寬度信號(hào)的變換器。變換后輸出的脈沖周期T是固定的,而脈沖寬度H隨輸入電壓信號(hào)而變化,兩者呈線性關(guān)系。

U-H輸出的脈沖信號(hào)的直流分量與輸入電壓成正比關(guān)系,因此,只需簡(jiǎn)單的RC濾波電路即可復(fù)現(xiàn)原模擬電壓信號(hào)。U-H變換器輸出的脈沖信號(hào)可以很方便地驅(qū)動(dòng)發(fā)光器件,進(jìn)而完成光電隔離。 下面結(jié)合圖11.24所示的U-H變換器原理電路,介紹它的工作情況。該電路由三角波發(fā)生器、比較器及輸出級(jí)三部分組成。圖11.24U-H變換器原理電路

三角波發(fā)生器由具有正反饋的運(yùn)算放大器A1及阻容元件R4、C組成。 若設(shè)起始時(shí)A1輸出為正向限幅電壓Uw,它一方面通過(guò)R1、R2正反饋電路使A1同相端的電壓為

同時(shí),Uw通過(guò)R4對(duì)電容C充電,使UF（=UC）逐漸增大。A1實(shí)質(zhì)上是一個(gè)比較器,當(dāng)UF=U1時(shí),A1翻轉(zhuǎn),輸出由正向限幅電壓突變?yōu)樨?fù)向限幅電壓-Uw,同相端的電壓變?yōu)?/p>

與此同時(shí),電容C通過(guò)R4放電,使UF（=UC）逐漸減小。當(dāng)UF=U2時(shí),A1再次翻轉(zhuǎn),輸出由-Uw又跳回Uw,UT由U2跳回U1,Uw又開始向電容C充電。如此循環(huán),形成自激振蕩,在三角波發(fā)生器輸出端（即電容C兩端）得到峰值為±Uw

的近似三角波電壓。 三角波發(fā)生器的各點(diǎn)波形（Uo1,UT,UC）如圖11.25所示。圖11.25三角波發(fā)生器各點(diǎn)波形圖

輸出的三角波實(shí)際上是由電容C充、放電的指數(shù)曲線交替組合而成的。 因?yàn)槌潆娕c放電回路相同,充電及放電電壓對(duì)稱于零點(diǎn),所以充、放電的持續(xù)時(shí)間相同,均為振蕩周期的一半。要計(jì)算三角波的周期T,只需計(jì)算其中的一個(gè)放電過(guò)程然后乘2即可。 根據(jù)RC電路瞬態(tài)過(guò)程的分析,可得

已知τ=R4C,當(dāng)t=0+時(shí),即放電過(guò)程剛開始瞬間：

當(dāng)t∞,UC(∞)=-Uw時(shí),于是有 考慮到當(dāng)時(shí),,得

整理得

根據(jù)選擇的R1、R2、R4及C的數(shù)值,就可確定三角波的振蕩周期T。 比較器部分很簡(jiǎn)單,由A2完成比較。 比較器A2處于開環(huán)工作狀態(tài),它把輸入電壓Ui與三角波電壓UC進(jìn)行比較。當(dāng)UC

＜Ui時(shí),A2

輸出正向飽和值；當(dāng)UC

＞Ui時(shí),A2輸出負(fù)向飽和值。A2的輸出是矩形脈沖波,如圖11.26所示。矩形波的周期等于三角波的周期,是恒定值。圖11.26比較器A2的輸出波形

圖11.26所示的脈沖寬度H可利用相似三角形的關(guān)系求得。由圖11.27可見： 式中U1為三角波幅值。由前面推導(dǎo)知 于是有圖11.27H與Ui的關(guān)系

顯然,脈沖寬度H與輸入信號(hào)Ui成線性關(guān)系。 為了使U-H變換器的量程及零點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求,常在A2的同相端引入一負(fù)的偏置電壓（-Ub）,此時(shí)： 為保證三角波的良好線性,通常Uw=4～5V。11.2驅(qū)動(dòng)電路分析及外圍電路器件選擇

11.2.1驅(qū)動(dòng)電路分析

實(shí)際中,像熱電偶那樣可以直接輸出電壓的傳感器很少,大多數(shù)傳感器都必須有驅(qū)動(dòng)電路。 驅(qū)動(dòng)電路通常采用的是恒壓工作（恒壓驅(qū)動(dòng)方式）或恒流工作（恒流驅(qū)動(dòng)方式）。 有的傳感器適合在恒壓條件下工作,有的傳感器則適合在恒流條件下應(yīng)用。恒壓電路常使用在不需要很高精度的地方,而在高精度的場(chǎng)合恒流電路是不可缺少的。 下面舉例進(jìn)一步說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。

大家知道,壓阻式半導(dǎo)體應(yīng)變片傳感器通常是在基片上擴(kuò)散出四個(gè)電阻,這四個(gè)電阻一般接成電橋,使輸出信號(hào)與被測(cè)量成正比,并且在受到應(yīng)力作用后,使阻值增加的兩個(gè)電阻對(duì)接,電阻減小的兩個(gè)電阻對(duì)接,使電橋的靈敏度最大。電橋的驅(qū)動(dòng)電源既可采用恒壓源供電,也可采用恒流源供電。 （1）恒壓源供電。假設(shè)四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值起始都相等且為R,當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí),兩個(gè)電阻的阻值增加,增加量為ΔR

；兩個(gè)電阻的阻值減小,減小量為-ΔR；另外由于溫度影響,使每個(gè)電阻都有ΔRT的變化量。根據(jù)圖11.28,電橋的輸出為

整理后得

如ΔRT=0,即沒有溫度影響,則

此式說(shuō)明電橋輸出與ΔR／R成正比,也就是與被測(cè)量成正比；同時(shí)又與U成正比。這說(shuō)明電橋的輸出與電源電壓的大小與精度都有關(guān)。

如ΔRT≠0,則Usc與ΔRT有關(guān),也就是與溫度有關(guān),而且與溫度的關(guān)系是非線性的,所以用恒壓源供電時(shí),不能消除溫度的影響。

2）恒流源供電。恒流源供電時(shí)的電路如圖11.29所示。假設(shè)電橋兩個(gè)支路的電阻相等,即RABC=RADC=2（R+ΔR

T）,故有

因此電橋的輸出為

整理后得

Usc=IΔR

電橋的輸出與電阻的變化量成正比,即與被測(cè)量成正比,當(dāng)然也與電源電流成正比。但是電橋的輸出與溫度無(wú)關(guān),不受溫度影響,這是恒流源供電的優(yōu)點(diǎn)。圖11.28恒壓源供電圖11.29恒流源供電

壓阻式半導(dǎo)體應(yīng)變片的溫度穩(wěn)定性差,在高精度測(cè)量的場(chǎng)合,就必須采用恒流驅(qū)動(dòng)電路。 當(dāng)然,對(duì)傳感器的測(cè)量電路、變換電路、放大電路、校正電路等外圍電路,都應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求,選擇合適的恒壓工作或恒流工作。 關(guān)于恒壓（穩(wěn)壓）問(wèn)題的參考文獻(xiàn)很多,這里不作介紹,下面著重討論恒流源。 恒流源電路可由分立元件與運(yùn)算放大器組成,但是利用恒流器件組成的電路則更加簡(jiǎn)單。專用的恒流元件有恒流二極管、三端可調(diào)恒流源和四端可調(diào)恒流源,它們的優(yōu)點(diǎn)是體積小,允許浮置,不需附加電源,使用方便。用三端和四端可調(diào)恒流源,外接一個(gè)或兩個(gè)電阻,就可構(gòu)成兩端恒流器件。通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻的阻值,就可調(diào)整輸出電流值和電流溫度系數(shù),使其滿足不同應(yīng)用的要求。

1.CW334三端可調(diào)恒流源 圖11.30所示為CW334內(nèi)部等效原理電路。圖中R是外接電阻,V1、V2、V4和V5組成恒流源,V2、V3和V6組成三級(jí)誤差信號(hào)放大器。圖11.30CW334內(nèi)部等效原理電路

在V+和V-兩端剛加上電壓的瞬間,由于C1上的電壓不能突變,V2

管集電極電位和V-端電位相等,因此V4管的集射極間電壓等于外加電壓。此時(shí),V4

管的穿透電流Iceo4涌向電容C1,使C1上積累的電荷逐漸增加。當(dāng)C1上的電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí),Iceo4會(huì)有部分注入V3的基極,而Ib3的增加會(huì)使Ic3增大,Ic3的增大引起Ib4增大,而Ib4的增大導(dǎo)致Ic4增大,Ic4的增大又進(jìn)一步使Ib3增大。這是一個(gè)正反饋過(guò)程。同時(shí),Ic3的增大也帶來(lái)Ib5增大,Ic5流過(guò)V1,從而建立V1和V2的工作點(diǎn),完成啟動(dòng)過(guò)程。這一過(guò)程所需的時(shí)間和所設(shè)置的電流大小有關(guān)。若設(shè)置電流大,則所需時(shí)間短。例如,ISET=1mA,所需時(shí)間約為5μs。 V1、V3和V6構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)節(jié),用以穩(wěn)定設(shè)置的電流。外接電阻R將設(shè)置電流的變化轉(zhuǎn)換為誤差電壓信號(hào)送入V2管基極（Ube2=Ube1+UR）,V2和V3將誤差信號(hào)放大、反相。 穩(wěn)流過(guò)程如下： ISET↑→UR↑→Ub1↑→Ib2↑→Ic2↑→Ib3↓→Ic3↓→Ib6↓→Ic6↓

ISET↓(V4為恒流管) CW334的主要電路功能是在R端輸出一個(gè)相對(duì)于V-端的64mV電壓（25℃時(shí)）。這個(gè)電壓的特點(diǎn)是隨外加電壓變化甚小,隨溫度變化呈線性關(guān)系。該電壓是利用V1和V2兩管發(fā)射極電流密度不等得到的,因此,溫度對(duì)V1和V2兩管的Ube影響不同,其溫度系數(shù)之差的典型值為0.336%／℃。 用CW334構(gòu)成恒流源很簡(jiǎn)單,只要外接一只電阻即可,如圖11.31(a)所示。設(shè)置電流是指流入V+端的電流,在溫度為25℃時(shí),UR相對(duì)于V-是64mV。但在求R值時(shí),還應(yīng)將V-端電流加以考慮,所以

系數(shù)18／17是一個(gè)典型值。要想獲得準(zhǔn)確的ISET值,還應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)試調(diào)整R的值。 當(dāng)需要零溫漂的電流源時(shí),按照?qǐng)D11.31(b)進(jìn)行連接。電路中利用了外接二極管的負(fù)溫度特性對(duì)CW334進(jìn)行補(bǔ)償。只要仔細(xì)選擇這些外接元件,就可得到滿意的恒流效果。圖11.31CW334應(yīng)用電路

2.4DH、3CR型精密集成電路恒流管 杭州大學(xué)生產(chǎn)的4DH、3CR型恒流管是以溫度系數(shù)低、電流穩(wěn)定度高和產(chǎn)品一致性好為特征的精密集成電路恒流器件。由于采取了全新設(shè)計(jì),新一代系列化產(chǎn)品從電性能指標(biāo)到內(nèi)在質(zhì)量均有突破性進(jìn)展。該產(chǎn)品的突出優(yōu)點(diǎn)是：電流穩(wěn)定度高,溫度特性優(yōu)良,耐壓高,起始電壓低,恒定電流和溫度系數(shù)可調(diào)（4DH型）。實(shí)際使用呈二端式,串入有關(guān)電路中提供恒定電流。使用十分方便靈活。主要應(yīng)用于各類傳感器、直流放大器、光電轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓源、光電源、穩(wěn)壓電源和充電器等電路中的恒流供電或限流保護(hù)。圖11.32恒流管的輸出電流特性

不論是4DH型還是3CR型恒流管,當(dāng)其正、負(fù)兩端間電壓從零增加時(shí),其輸出電流變化如圖11.32所示。其中US為起始電壓,UM為最高工作電壓,IH為恒定電流值。表征恒流管的其它重要參數(shù)還有：電流穩(wěn)定度SI——正、負(fù)兩端間電壓變化1V引起的IH的相對(duì)變化率；電流溫度系數(shù)CI——溫度變化1℃所引起的恒定電流的相對(duì)變化率；最大耗散功率PM——恒流管能承受的最大功耗。各種型號(hào)的恒流管參數(shù)見表11.1。表11.15μA～10A恒流器件的主要參數(shù) 4DH1型、4DH2型、4DH5型、4DH7、HVC2型采用B-3四引線金屬管殼封裝,3CR3型、3CR3H型采用B-3三引線金屬殼封裝或TD92L塑料封裝。

4DH型及HVC2型、3CR型恒流管的電路符號(hào)如圖11.33所示。圖11.334DH型、HVC2型及3CR型恒流管的電路符號(hào)（a）4DH型、HVC2型（b）3CR型

圖11.34給出了B-3四引線管座管腳排列及B-3三引線塑料管座管腳排列。圖11.34管腳排列圖11.35連接方式

恒流管的使用方法如下。 （1）根據(jù)所選恒流管型號(hào),參照?qǐng)D11.35所示連接方式,接妥外接電阻R、RC（對(duì)4DH型）或外接電阻R（對(duì)3CR型）,或外接電阻R+、R-（對(duì)HVC2型）。其中,RC、R的阻值按所選恒流管型號(hào)由以下方法決定。 ①4DH1型：恒流值IH與R、RC的關(guān)系為 對(duì)一定的IH值,可對(duì)應(yīng)無(wú)數(shù)對(duì)R、RC,具有不同的溫度系數(shù)C11值。當(dāng)RC／R=4時(shí),C11<0,由上式計(jì)算可得,此時(shí)IH與R的關(guān)系為IH=330mV／R,RC=4R；當(dāng)RC

／R＜4時(shí),C11＜0；當(dāng)RC

／R＞4時(shí),C11

＞0。RC

／R與4相差越大,C11的絕對(duì)值越大。 ②4DH5型：恒流值IH與R、RC的關(guān)系為 當(dāng)RC／R=1.26時(shí),＜10-4／℃,此時(shí)IH=1030mV／R,RC=1.26R；當(dāng)RC／R＜1.26時(shí),C11

＜0；當(dāng)RC

／R＞1.26時(shí),C11

＞0。RC／R與1.26相差越大,C11

的絕對(duì)值越大。 ③3CR3、3CR3H、4DH7型：恒流值IH與R的關(guān)系為

④HVC2型：恒流值IH與R+、R-的關(guān)系為

當(dāng)R-／R+=7.8時(shí),C11>0。若R-／R+＞0,則C11＞0；R-／R+＜0,則C11

＜0。 （2）不論哪種型號(hào)的恒流管,將接U+的引線視為正端,將接V-的引線視為負(fù)端,把正端接電路高電位處,負(fù)端接電路的低電位處,串入需恒流的電路中即可起到穩(wěn)定電流的作用。 （3）可在JT-1型或QT-1型等晶體管特性圖示儀上觀察伏安特性,測(cè)試方法與普通二極管相同。接上電阻后,視接恒流管U+的引線為正端,視接U-的引線為負(fù)端,如接線無(wú)誤,圖示儀上應(yīng)出現(xiàn)如圖11.32所示的曲線。

（4）恒流管獲得低溫度系數(shù)的方法：對(duì)4DH型,按所需恒流源的電流大小,由使用方法（1）所述公式求出與低溫度系數(shù)對(duì)應(yīng)的R、RC值,按此值選好低溫度系數(shù)的電阻器,按照連接圖接妥后,測(cè)量電流溫度系數(shù)。若C11＞0,則可減小RC,增大R；若C11

＜0,則可增大RC,減小R。反復(fù)調(diào)節(jié),直至滿意為止。對(duì)HVC2型恒流管,獲得低溫度系數(shù)的方法與4DH型的類似。對(duì)3CR3、4DH7型,只要選用低溫度系數(shù)電阻為R即可。

注意事項(xiàng)： ①不同型號(hào)的恒流管,其連接方式不同,切勿搞錯(cuò)。 ②不論電阻R或RC,均不能短路,否則會(huì)使電流激增,導(dǎo)致管子損壞。 ③為防止外界干擾,減小時(shí)漂,可在R或RC上并聯(lián)電容器,電容器的容量約為幾十pF至100pF。 ④初次使用前先在晶體管特性圖示儀上觀察伏安曲線,以便判斷連接方式是否正確,防止因連接有誤引起工作不正常甚至損壞恒流管。 ⑤對(duì)4DH2型恒流管,當(dāng)其工作電流較小時(shí),為增加穩(wěn)定性,可在恒流管與負(fù)載之間串接5～10kΩ的電阻。 ⑥4DH型、3CR型、HVC2型恒流管構(gòu)成恒流源,最終是二端形式,故有關(guān)恒流二極管的應(yīng)用電路均可引用,且可比恒流二極管達(dá)到更優(yōu)性能并具有更大的靈活性。 ⑦利用簡(jiǎn)單擴(kuò)展電路,即可將上述恒流管電流上限、耐壓上限分別增至數(shù)安培、數(shù)百伏。如對(duì)3CR3型,一種簡(jiǎn)單的方法是在2、3端間加接電阻R′,如圖11.36所示,就可將電流上限增大或起到減小3CR3功耗的作用。若取流過(guò)R′的電流IH的一半,則R′可由下式估算：圖11.363