摘 要：為了滿足半導體激光器(LD)對電流源高穩定性、低噪聲的性能要求，文中基于負反饋原理設計一種可調節低噪聲恒流源電路。該電路使用帶隙基準電壓源 AD780BN 提供低噪聲、低溫漂的基準電壓，配合多路復用器 ADG1606的選擇功能，由低噪聲運放 LT1677 構成的負反饋恒流驅動電路通過 JFET 將電壓轉換成電流，經過 JFET 和 BJT 構成的調整網絡輸出穩定的電流，實現了穩定的多電流輸出。實際電路測試結果表明：該恒流源電路在 3.8~5.5 V 的輸入電壓范圍內，輸出電流穩定度在 0.007%~0.029% 之間;在電流調控模塊控制下，輸出電流從 20~350 mA 按 30 mA 的步進可調;最大輸出電流噪聲為 2.8 μA，具有低噪聲的性能。

0 引 言

恒流源是穩定電源中的一個特殊支系, 當輸入電壓、負載、工作溫度等在某個范圍內波動時, 其輸出電流基本保持不變。恒流源被廣泛應用于計量測試、科學研究、通信技術 、LED照明以及半導體激光器(LaserDiode，LD)等領域[1]。其中，LD是一種依靠電流注入作為激勵工作的器件，注入電流的噪聲會影響其電子?光子的轉換，從而導致輸出光功率發生變化。因此，LD對驅動恒流源有高穩定性、低噪聲的要求[2?3]。恒流源作為電子電路和模擬電路中使用較多的電路單元之一，人們一直沒有停下研究腳步。目前，負反饋結構是提高恒流源穩定性的一個有效途徑[4?6]。除此以外，選擇低溫漂的基準電壓源和采樣電阻等也是提高恒流源性能的有效手段[7]。為滿足LD對恒流源高穩定性、低噪聲的性能需求，本文設計一款基于負反饋結構的恒流源電路，在Multisim軟件中經仿真優化完成了電路的結構設計與核心元器件的選型，確定了元器件的參數值，并設計加工了PCB電路，給出了實際電路的測試結果，具體設計與測試分析如下。

1 恒流源電路設計

圖1為本文設計的恒流源電路結構框圖。圖中：線性穩壓模塊將外部的輸入電壓轉換為穩定的電源電壓，為其他3個模塊提供電源;基準電壓模塊將獲得的穩定電壓進一步分壓，輸出多路低噪聲基準電壓提供給電流調控模塊;電流調控模塊通過對輸入恒流驅動模塊基準電壓的調整，達到控制輸出電流大小的目的;恒流驅動模塊利用負反饋原理，使作用在采樣電阻上的基準電壓保持不變，提高輸出電流的穩定度。

1.1 線性穩壓模塊設計

本文設計的恒流源電路需要兩個不同的電壓值:5V和4V。其中, 5V電壓給線性穩壓模塊和恒流驅動模塊供電;4V電壓為帶隙基準電壓源、多路復用器、運放等供電，整個電路對 4V電壓的需求多且穩定性要求高。為此, 本設計采用低壓差線性穩壓器(Low DropoutRegulator，LDO)芯片來實現該模塊的設計。

現有的LDO芯片型號較多，功能也不盡相同。在綜合考慮性能、價格后，本文選擇了美國微芯公司設計的TC1015線性穩壓器，其內部集成有超溫和過電流保護電路，且輸出電壓噪聲極低，適用于穩壓電路。查閱該芯片的產品手冊可知，TC1015共有10種固定的輸出電壓可選，本文選擇其輸出電壓為4V，得到的線性穩壓電路如圖2所示。

為降低電路對PCB布局的敏感性，在VIN與GND間接入容值為1μF的旁路電容C1，在 VOUT與GND間接入同樣容值的旁路電容C2。考慮為后續器件供電時，電壓在傳輸線中會產生一些波動，在VOUT與GND間又接入了容值為0.1μF的濾波電容C3~C5。電容 C1~C5不僅可以濾除噪聲，也可以及時補充器件高速工作時所需的尖峰電流。

1.2 基準電壓模塊設計

為保持穩定的輸出電流, 基準電壓必須具有低溫漂,低噪聲,高穩定性的特點[8]。AD780BN是一款超高精度的帶隙基準電壓源, 其最大溫漂為3ppm/℃，最大噪聲為100 nV/ Hz。所構建的基準電壓電路如圖3所示。為使輸出電流從20~350mA按30mA的步進可調，即要求到達采樣電阻的電壓可調，電路中使用電阻分壓結構來實現分壓。

圖3中，AD780BN 提供3V的低噪聲基準電壓，利用電阻R1~R13實現電壓分壓，通過節點S1~S12送入多路復用器。C6~C18均為容值0.1μF的濾波電容，濾除基準電壓電路中可能的噪聲。利用流經電阻R1~R13的電流 I均相等，由基爾霍夫電壓、電流定律可知：

式中：UR1為R1兩端電壓降2.65V;UR為R2~R12每個電阻的壓降30 mV;UR13 為 R13壓降 20 mV。代入式(1)、式(2)后可得：

測試時，取 R2=50 Ω，則 R1=4 417 Ω，R13=35 Ω。

1.3 電流調控模塊設計

為使電流調控更加便捷，本文在基準電壓模塊后加入型號為ADG1606的多路復用器。多路復用器的選擇需要考慮導通電阻及導通電阻平坦度對輸出信號非線性失真的影響。本文所選多路復用器在工作溫度范圍內最大導通電阻為7.5Ω，其構成的電流調控電路如圖 4所示。電路中芯片開關端口S1~S12接12個不同的基準電壓，S13~S16接地，4位二進制地址線(A0~A3)選擇16個單通道輸入中哪一路切換到公共輸出端。

1.4 恒流驅動模塊

恒流驅動模塊是恒流源電路的核心單元，本文設計的負反饋結構恒流驅動模塊如圖5所示。其由低噪聲運放U4、保護電阻R19、采樣電阻Rs、短路保護開關K1、半導體激光器 LD、3個電容(C19~C21)和 2 個三極管(Q1與Q2)組成。U4的同相端通過電阻R19接入來自復用器輸出的電壓Vref，反相端接采樣電阻Rs，負反饋結構使采樣電阻兩端電壓V-與同相端電壓V+保持一致，以使整個網絡處于動態平衡。為使采樣電阻兩端電壓保持穩定，選擇噪聲低、電源抑制比高的運算放大器，本文使用單電源供電的LT1677型軌至軌運算放大器，其可輸出0至電源電壓。

圖5中，運放 U4同相端輸入電壓V+由電流調控模塊的輸出提供，通過由場效應管Q1與晶體管 Q2組成調整網絡后，由采樣電阻Rs將采樣電壓V-反饋到U4反相端。 將V+與V-做比較，調控U4的輸出電壓, 進一步調控輸出電流。電路中Q1選擇低噪聲場效應管 2SK170, Q2選擇NPN型晶體管MJE15032, 采樣電阻Rs阻值為1Ω，保護電阻R19阻值為10Ω，C19容值為1μF，C20，C21容值為0.1 μF。

利用運放的“虛短”特性有：Vref=V+=V-，利用運放的“虛斷”特性有:Io=V-Rs, 即Io=Vref Rs。當VCC, Vref穩定， 而Io突然增大時，會導致Q1漏極電位下降，而使U4同相輸入端與反相輸入端之間的壓差降低，運放輸出電壓即Q1柵極電壓減小會使Q1漏極電流ID減小，導致Q2基極電流IB減小，使Q2集電極電流IC及Io減小。同理，當流過電阻RL的電流突然減小時，U4同相端與反相端之間的電位差增加，Q2集電極電流IC變大使Io增大，這表明恒流驅動電路具有輸出電流的自我調節功能。對該電路進行分析，得到流過LD的電流，即Io的大小和穩定性僅與Vref，Rs的比值有關，而Rs一般為固定值，若Vref 精度高、穩定性好，則輸出的電流便具有高精度和高穩定性的特點。

LD是一種結型器件，承受電沖擊能力弱，使用過程中的電沖擊主要來自電源關斷或開啟時產生的電壓、電流涌浪沖擊，或是外電路帶來的涌浪沖擊。基于此，本文將一個接觸電阻很小的開關K1與LD并聯。當開關K1閉合時，由于K1電阻很小，此時K1相當于短路，電流不會經過 LD，在電路穩定工作后再斷開K1，LD開始工作，這種方法可以非常有效地消除電源開關時所產生的涌浪沖擊。

2 實驗測試

2.1 輸出電流相對誤差測試

圖6為設計的恒流源電路實物圖，電路尺寸為3.5 cm×3.0 cm，電路板分為上下兩塊極板，通過四角上的排針相連。上極板的VIN端接5 V的電源電壓，下極板通過杜邦線控制芯片輸出，從而實現調節電流的目的。

設計的恒流源可以輸出12個不同的電流值。采用六位半數字萬用表Keithley 2000測量恒流源輸出值，測試電路如圖7所示。測量的數據為直流電壓，根據歐姆定律將直流電壓轉換成直流電流。

輸出電流值與復用器真值表的關系，以及測量數據如表1所示，其中相對誤差是將實際值與理論值進行比較，計算公式如下：

由表1可以看出，除20 mA以外，其余電流測試值與預設值誤差較小，相對誤差優于 1.5%。由表1結果分析可知：電流值整體偏小，可以通過減小R1阻值或選用更高精度的電阻等對電路進行改進;而20 mA電流值與預期誤差較大，可增大R13阻值或選用高精度電阻做進一步改進。

2.2 輸出電流穩定性測試

在室溫下，利用數字直流穩壓電源、六位半數字萬用表對恒流源進行穩定性測試。考慮半導體激光器價格昂貴，參考其推薦用法，測試時將2個5 Ω的高精密金屬箔電阻器 RJ711并聯得到2.5 Ω 的負載接入電路輸出端[9?10]，用萬用表直流電壓檔進行測量，每隔 1 min 記錄1次恒流源輸出電流，觀察電流穩定度，總計60 min。其記錄結果如圖8所示，可以看出，該恒流源連線工作1h后，輸出電流仍保持穩定。穩定性(Istability)是恒流源性能優異的重要指標，計算公式如下：

式中：Ia是輸出電流平均值;Ic是電流測試值。計算得到輸出電流值為20 mA時Istability最大，為0.029%;輸出電流值為350 mA時Istability最小，為0.007%。可見，恒流源穩定性良好。

不同輸入電壓下，電路輸出電流的測試結果如圖9所示。圖9表明, 該恒流源在3.8~5.5V之間輸出的電流穩定。

2.3 輸出電流噪聲測試

半導體激光器對恒流源要求必須是低噪聲的，所以對所設計的恒流源進行噪聲大小測試是非常必要的。同樣采用六位半數字萬用表進行測試，負載仍為2.5Ω高精度電阻，選擇萬用表的直流電壓檔進行測量[2]。測試時，從輸出電流350 mA按30 mA遞減至20 mA，每改變一次電流值就記錄電流表上直流電壓檔的示數。 表2為電流噪聲與輸出電流的關系。由表可知，該恒流源輸出電流噪聲最大為2.8 μA。

表3中給出了所設計的恒流源電路性能參數與部分已報道的恒流源電路參數的比較。由表3可見，本文電路具有低噪聲的性能。

3 結 論

為給半導體激光器提供高穩定性、低噪聲的恒定電流，設計一種可調節的恒流源電路。此恒流源采用負反饋結構，通過 JFET 將電壓轉換成電流，經過JFET和BJT構成的調整網絡輸出穩定的電流，并給出了消除電源開關產生的涌浪沖擊的方法。測試結果表明，該電路可在3.8~5.5 V的輸入電壓范圍內，按30 mA的步進輸出20~350 mA的輸出電流，電流穩定度在0.007%~0.029%之間，噪聲低 3 μA，同時具有體積小的優點。

作者簡介：

黃惠琳(1997—)，女，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向為數模混合集成電路設計。

陸小飛(1977—)，男，江蘇南通人，碩士，講師，主要研究方向為模擬集成電路設計、系統電路設計。

楊羽佳(1995—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向為數模混合集成電路設計。

黃 靜(1978—)，女，江蘇南通人，碩士，副教授，主要研究方向為數模混合集成電路設計。

施 佺(1973—)，男，江蘇南通人，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為集成系統開發應用、智能信息處理。

審核編輯：湯梓紅

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