两端电流源-LT3092

尽管高质量电压源非常常见，但是作为组件的电流源却一直难以让人理解。两端电流源带来了一些新问题，尤其希望随温度变化而有高精准度和稳定性时。电流源必须在一个宽广的电压范围内工作、与未知电抗串联连接时展现高DC和AC阻抗，而且具有良好的稳定性和温度系数。就最佳的两端解决方案而言，是不该使用电源旁路电容的，因为它会降低AC阻抗。

使用耗损型FET的旧式解决方案，在电流和温度系数方面具有大幅度的变化。图1所示为一个拥有两个三极管、两个稳压二极管的两端电流源。对于提供两端电流的任务，其效能良好，但准确度受限为百分之几。这个电路以开路方式工作，因此不能提供如闭路反馈电路般的准确性。因为稳压二极管的温度系数与三极管不是完美匹配的，所以由于稳压二极管和三极管VBE(基极-发射极电压)的变化，该电路具有漂移和不准确性。此外，该电路两端需要最低大约3V的电压以正常工作。诸如LT1004等更低电压的稳压二极管(实际上是一个IC)降低了最低工作电压。

图1：拥有两个三极管、两个稳压二极管的两端电流源。

本文说明运用新一代LT3092克服了较早的两端电流源的问题。它具有优于1%的初始准确度和非常低的温度系数。输出电流可以在0.5mA至200mA的范围内设定。电流调节典型值为10ppm/V。LT3092可操作于低至1.5V或高达40V。这在1mA时提供100MΩ阻抗，在100mA时则为1MΩ。与几乎任何其它模拟IC不同的是，其特殊设计方法可用来实现稳定工作，而无需电源旁路电容，从而能提供高AC阻抗以及高DC阻抗。

图2显示LT3092稳流器的基本架构图。其架构非常类似于LT3080稳压器，但是使用PNP三极管来作为输出电路。内部电路系统是差动和缓冲的，其透过稳压器来隔离电路系统，使其免受电源变化影响。这种隔离允许稳定工作而无需旁路电容。此外，对于可能具有电源反向的环境而言，LT3092可以避免反向电源电压引起的损坏，而且不传导电流，因此可保护负载。

图2：LT3092稳流器的基本架构图。

内部电流源和放大器补偿的设计目标是实现100dB或更好的电源变化抑制效果，因此调节性能非常好。把RSET设定为低至0Ω将允许把输出调节到低至0V。

一个小的电压加在一个外部设定电阻上(在这种情况下为20k)，以产生一个200mV的基准。在决定电流的电阻R两端强制产生200mV电压，则总电流等于0.2V除以R(10uA)。这个稳流器在两端电压从大约1.5V直至高达36V时工作，电流调节和温度稳定性非常高。作为一个两端电流源，其负载可以在电路的正支路(positiveleg)中，也可以在地支路(groundleg)中。

200mV产生参考的选择，是要对因内部电流源和放大器补偿随电源电压所发生的变化而产生的误差进行均衡处理。随着电源变化，内部电流源大约变化50pA/V。内部运算放大器的失调变化不到5uV/V。假定电流源和放大器失调都为最坏的情况，则使用一个200mV参考使放大器和内部电流源对误差的贡献将一样。如果透过一个50k的电阻，将200mV提高到500mV，那么内部运算放大器失调的误差贡献将减小，如此提升了电流源相对于电源变化的稳定性。不过，回路调节太好，以至于在除了最极端情况的所有情况下，设置电阻两端的电压为100mV至200mV就已经很好了。

设定电阻还允许减轻微调总电流的负担。如果这个电路用在100mA的大电流情况，由于电阻R的值很小，微调电流将很困难。不过20k电阻总是非常容易调节的，如此可用来设定电流值到想要的水平。图3显示了启动时间，而图4显示在1mA输出电流值时电流源随温度的变化。

图3：达到1mA的启动时间不到20us。

图4：参考电流随温度的变化。

提高电压符合性

就更高电压而言，电流源可以迭置，以在更高的总电压时工作。图5显示了迭置电流源。

针对相同的电流，有两个电流源因而设定，并在每个电流源的两端布设了一个限压稳压二极管。在低电压条件下，具有递增更高电流的那个电流源将发生饱和，电流将由另一个电流源来控制。当电压增加时，稳压二极管在某位置开启并开始传导电流。然后，饱和电流源两端的电压开始增加，而且，它将在电压继续增加的过程中调节电流。当电流控制从一个电流源移至另一个电流源时，在输出电流中存在一个与两个电流源之间的误差相等的小间断，其值通常小于1%，而且同样无需采用旁路电容来使组件正常工作。

图5：迭置的电流源实现更高工作电压。

就大电流设置和高压而言，LT3092中存在相当大的功耗。例如，30V和100mA等于3W功耗，视PC板的热阻不同，这可能引起温度大幅上升。一个外部电阻可以转移部分功率到该电阻上，并降低LT3092中的功耗。图6显示从该组件的输入至输出有一个电阻RX的基本电流源。只要总电流高于通过RX的电流，就不会影响稳定状态，该电流源的阻抗就不会变化。

图6：具功率转移电阻的100mA两端电流源。

通过RX的电流在反馈回路内，而且随着电压从输入到输出的变化而得到补偿。该电流流经内部PNP三极管或外部电阻，而反馈回路保持总电流恒定。

为了实现良好调节并具有合理的裕度，就该组件在最大电压时而言，经过RX的电流不应该大于所需电流的90%。图中的公式显示如何选择RX，以便流经RX的电流始终至少为流经LT3092电流的10%。透过将一些功率转移到外部电阻上，这种方法降低了最大内部功率。这极大地降低了组件中的功耗，并减小了温度上升幅度。加入这个外部电阻，对电路性能的影响微不足道。

如果需要更大的输出电流，电流源可以直接并联。可以使用两个LT3092(有或没有功率转移电阻)，并将其直接并联，以得到两倍的输出电流。图7显示一个以两端工作的300mA电流源。

图7：具功率转移电阻的并联电流源。

图8显示另一种并联组件的方法。它所需要的外部组件更少，因此可能是一种更好的方法以并联多个组件，从而得到大电流。在这种情况下，设置接脚连在一起，这使得稳压器的输出引脚相互之间相差在几mV之内。然后，稳压器输出通过40mΩ镇流电阻求和，实现电流共享。这些电阻通常可由一小块PC板来构成，而组件就安装在PC板上。当这个任务完成以后，我们可透过一个100k设置电阻，将电压降从200mV提高到1V。这么做的原因，是要将PC布线镇流电阻的温度系数影响降至最小。

图8：并联电流源以扩散热量并实现更大的输出电流。

镇流电阻两端的压差大约为8mV，这些电阻由铜线制作。铜线的温度系数为每度0.3%，这将影响整个电流源的温度系数。将参考电压从200mV提高到1V，使镇流电阻上的电压所占比例更小，而且就温度变化100℃而言，将这种影响从大约1%降低到了0.2%。

将输出电流提高到高于400mA仅需要一个额外的并联组件和一个镇流电阻，因此就大电流而言，可将组件数量降至最低。我们再次透过在高压时于这些IC周围并联部分电流，用RX来将组件中的功耗降至最低。

电流源可以驱动任何类型的负载。既然这个电路实际上是一个复杂的IC，那么负载阻抗可能对内部电路产生影响，并引起一些不稳定性。尽管做出了所有努力以使该电路驱动种类繁多的负载时是稳定的，但是不稳定性可能依然存在。使该电路稳定很容易。可以插入一个电阻，与稳流器串联，或者从Vin至Vout在该电路两端连接一个电容(基本上是一个旁路电容)或串联RC。这给该电路两端一个已知的阻抗，使它在遇到未知阻抗时能够稳定。与较旧的稳压器不同，该电容可以非常小。

在线路上可能有尖峰、噪声或RF的严酷环境中，这将为噪声和尖峰提供一个旁路，从而保护稳压器的内部电路系统。就稳定性而言，可以使用低至1,000pF的电容器。不过可以使用诸如0.01uF至1uF的宽范围的电容。注意,有些陶瓷电容器具有非常高的电压系数，有可能随着电压的变化而改变5到1。

电容器在低频时不影响电流源的阻抗，因为，像外部电阻RX一样，它在反馈回路内部。就组件两端的AC变化而言，电流流经电容器或LT3092上的内部三极管，因此阻抗不变。在高频时，LT3092在频宽之外运行，从LT3092看进去的阻抗是电容性的。

就工作时存在极大电压变化的负载而言，通过电容的电流必须低于编程电流。否则在高于编程电流的电流流经电容器时，回路就会损坏。组件可以容许的转换率如图9所示，其仍有接近90%的电流可流经电容，而不会破坏LT3092电流源的阻抗。例如，在1mA负载设置以及组件两端有1uF电容器的情况下，这个电路将容许1000V/s的转换率。其它的电容、转换率以及电流值的效果可以非常容易地计算出。


图9：转换率电路。

LT3092将作为一个无需输出电容的稳压器。‘本质安全’的应用常常用小电流和小的电容或不用电容来设计。图10显示了一个200mA的稳压器。作为一个稳压器，在内部产生的10μA电流将流过一个外部RSET电阻。SET接脚上施加的电压为该10μA电流与RSET阻值的乘积。内部电压跟随器在输出接脚提供与设定接脚相同的电压。负载从输出接脚连接对地。

LT3092解决了电流源设计问题，电流源设计是一个比稳压器设计更难的挑战。透过使用一个单元或并联单元，以提供1mA至大电流的电流源，就电压、负载和温度进行的调节而言是卓越的，而且独特的设计方法也已使该组件可在无需旁路电容的情况下工作(即使内部有一个复杂的反馈电路)。该组件为设计者的工具箱增加了一个通用的组件。

图10:‘本质安全’的稳压器——无需电容器。