直流微电流源

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一、序
微电流源，顾名思义，就是产生微小电流的，一般是uA级、nA级、pA级，甚至到fA级。
用途，主要是校准各种静电仪、微电流表。另外，在直接需要小电流的场合，也可以用到。
微电流源，主要有电容式和电阻式两类，本文主要讨论后者。

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二、原理
直流微电流源，可以分成无源型和有源型两种。
无源型，就是一个电压源，串联一个高阻而已：

这种方法，要求输出是短路型的（事实上大部分电流测试仪器都是的），这样，输出电流就是电压除以电阻。由于电压源可以做得很精确，那么电流源的好坏关键在于高阻的性能了。

一般电压选2V，那么电阻选100k、1M、10M、、、100G、1T，就可以覆盖2pA到20uA的电流范围。由于1T的电阻不宜取得，也可以用降低电压到200mV并用前一档电阻（100G）的方法取得。 但是，电压不能无限降低，因为负载会有一定的压降，连接环节也会有各种电压存在，因此电源电压太低后误差就大了。

有源型，多了一个放大器，优势是输出电阻高，在一定范围内，输出电流不依赖与输出电压，也就是可以在有输出电压下保持恒流，即不要求输出一定短路了，是真正的恒流源。但弱点，主要是引入了放大器的Ib误差，这在小电流的场合下就不能忽略了。

当然，有源型的如果运放的Vos控制得好，可以选取小的电源电压，这样就可以在不很高的高阻场合仍然取得小电流。例如若能把杂散电压控制在40uV，那么就可以用20mV的电压是仍然有0.2%的精度，但可以用10G电阻取得2pA量程，而不是用100G，更不用1T。

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三、无源型例：Keithley 261

261是Keithley早年的微电流源，1966年就有手册了。中等电流下指标为0.5%，温度系数在较大电流下为100ppm/C，小电流下1000ppm/C。


从版面上看，下面有个档位开关，设置10-5到10-12计8档电流，上面三个具体调节旋钮，左下一个极性选择开关，右下角为输出。

其原理是：
电源（各档不同）---KVD分压---串联档电阻输出



E为（可调）电源，A为极性开关，B为KVD，C为各档微调校准电阻，D为各档电阻。

KVD的第一级每个电阻是64欧，第二级是12.8欧，而第三级由于并联了一个32欧电阻，因此也为12.8欧（12.8欧*10再并32欧即为12.8欧*2）。
KVD的输出直接串联可转换的档位电阻，接输出。

至于调节部分C，只微调电压E的输出，这样对于不同的档位电阻，由于阻值不同，就靠不同的电压来补偿了。

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四、有源型例：Keithley 263





Keithley第一个版本的手册是1987年，因此算比较现代的表了，与K其它表的风格一致。
从电路图原理图上可以看出，这实际就是典型电路的一个具体化，Rrange用了好多电阻用继电器切换，多加了个R18=10M进行输入保护，最大电阻用了R30=100G，输入运放U13用了AD549L，Ib<60fA，Vos<0.5mV，<5uV/C，噪音4uVpp，这也许是当时最好的了。指标也算不错，中等电流下精度达到了0.025%，2nA档为0.065%，2pA档为0.425%。

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五、国产WD-1照片

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六、国产WD-1说明
经过拆解探查，WD-1几乎是完全仿制Keithley 261的，只不过绝大多数元件国产化了。
电路图可以直接参照K261的，但也有一些变动。

1、电源部分
标称输出11V，这样在KVD的拨盘在5.00的位置时，分压输出就是5.00V。当然，这电压要根据档位电阻的不同而有微调。由于KVD的输入电阻是1.1k，因此电流是恒定的10mA，功率110mW。
整流用了全桥，滤波电容470uF50V，第一级稳压7815+2DW235，输出大约22V。
第二级稳压用了LM317K，上调节电阻为2k固定，下调节“电阻”用2DW235串联另一个电压，这个电压是档位2.2k可调与200欧分压得到的。经过测试，这2.2k可调的实际阻值在370欧到600欧之间，不算合理。


2、KVD
采用KVD的好处，可以多级，而且输入电阻不随分压而改变。
第一级采用11个100欧，开关在0到10时，其输出1V到11V（输入11V，下同）。
第二级采用11个20欧，很自然，因为KVD每级递减1/5。开关在0到9时输出0.1V到1.0V（第一级=0）。
第三级由于并联了50欧，因此仍然采用11个20欧。开关在0到10时输出为0.00到0.10V（前面开关=0）。
输出电阻尽管是变化的，但不大。最大输出电阻660欧，这对于后面最小100k的电阻，误差0.5%
由于后面配套的档位电阻很一般，KVD电阻选0.01%的浪费了。K261选的0.1%其实就足够了。
KVD的输出见下图的黑色屏蔽线F，先接到后面的BNC插口，然后通过屏蔽线G，接到屏蔽盒的侧面H位置引入。

3、电源微调/校准部分
一共有8个档，每个档输出电压不同。靠开关切换，让8个可调电阻分别与电源调整部分的200欧分压，达到调节的目的。调节范围，是8V起调（标称11V）。微调是2.2k的，实际调节位置在380欧附近，电压和功率都很大，容易出问题，因此电路设计的不合理。这些微调实际也是各档的校准用的。

蓝色A线从稳压管的正极也就是200欧接地电阻的上端引出，经过B的换档，选择C线中的1根，从而串联可调电阻D中的某个后，通过蓝线E引出，到达电源输出的正极，达到微调目的。


4、输出串联电阻
-5次方档电阻是100k，用了线绕RX70，0.01%
-6次方档电阻是1M，用了大红袍，1%
-7次方档电阻是10M，用了模压金属膜，0.1%
-8次方档电阻是100M，用了磁封电阻，2%
-9次方档电阻是1G，也用了磁封电阻
-10次方档电阻是10G，用了真空电阻
-11次方档电阻是100G，用了真空电阻
-12次方档电阻是1T，用了真空电阻

可以看到，电阻的选测参差不齐，主要是三个高阻值的真空电阻性能不好（阻值偏差大、老化和温度系数大），形成整体性能瓶颈。


5、等电位屏蔽
在几个高阻上有电位环：

这些电阻上端接电源（高电位），下端接输出（零电位），而这些屏蔽环就是可以让输出周围强制的保持在零电位，防止表面爬电用的，是等电位屏蔽的一个特例。


6、其它
有人问，没见用什么特富龙材料，开关也是比较普通的，不怕漏电吗？
实际上，这种无源的微电流源设计的很好，不怕漏电。因为高电压部分是低阻不怕漏电，而输出部分是地电位，也对漏电不敏感。


总之，这个微电流源有两点设计不足：一个是高阻三个电阻质量较差，直接影响最主要功能档的性能。另一个是电压微调设计的不好，2.2k的微调只用在15%的位置，而且一直加上10V的电压，耗散达到250mW，影响性能和可靠性。

另外，设计多余的地方也有两点：一个是KVD采用0.01%的精密线绕电阻，实际上0.1%就足够了。另一个是几百欧的电源电阻采用二次屏蔽，没有必要。

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七、二端小电流发生器

二端恒流器件，顾名思义，有两重含义：一个就是二端器件，只有两个端子，类似二极管或普通电阻；零一个就是恒流，理论上无论加多少电压，其电流都为恒定。当然，器件不会理想，总会有一定的、不是无穷大的动态电阻。另外，恒流源器件也一律具有最小工作电压和最高工作电压，低于最低工作电压就不恒流了，高于最高工作电压恐怕会击穿损坏。

二端恒流器件最简单的用途就是恒流负载，直接接到电压、电源或电池上，就会消耗特定的恒定电流，而与电压无关。另外，二端恒流器件简单的串联一个电压、电源或电池，就成为恒流源，给外界提供恒定的电流。这种只有2个引脚的电路，加上快速的角色转换，可以使得二端恒流器件有比较广泛的用途。当然，也正因为二端，使得内部构造要复杂一些，低压下也难于取得恒流。

也由于二端电流器件的特殊性，这里也不局限在小电流，后面会增加一些较大电流的例子。也可以考虑篇幅多了，以后专门成贴。

1、恒流二极管
恒流二极管

属于两端结型场效应恒流器件，比如2DH1，恒流1mA，工作电压3V到30V左右，动态内阻>1M。

2、结型场管加一个电阻
很常见的一种取得小电流恒流源的方法。注意选择时要Idss大于要恒流的电流，最好大几倍，而且Vgs要选得小一些，才能降低起始电压。看曲线也要选择动态内阻大的。




根据所选的管子的不同，耐压可以从0.5V起，到几十V很常见，更高的也有，例如上面的2SK373耐压为100V，耗尽型的MOSFET LND150，耐压可达500V，适合做高压恒流源。
根据管子的不同，可以选择不同的电阻，使得恒流电流从很小（比如1nA）一直到10mA。
由于在源极串联了一个电阻，有进一步稳定电流的作用。假如因电压增大造成电流增大，则该电阻上的电压也增大，这样Vgs也增大，就抑制了电流的增大。
当然，这样的恒流有一定的温度系数，可以选择适当的管子和适当的工作电流，可以取得零温度系数点，一般为Vgs-0.63V，比如管子的Vgs=2V，那么取1.37V就是零温度系数点。

3、三极管加几个电阻
常见于IC内部设计中

，由于比较复杂，现实中很少有人用分立元件产生。

4、三端串联稳压器加一个电阻
比如LM317，适合5mA以上，起始电压大约3.5V


如果换成LM338，则电路一样，最大电流可以达到5A。这种LM338的厂家有国半、ST和LT，其中LT的输入电容需要1uF。 试验了国半的LM338，输入不加电容，输入线长1米，也无问题：







如果换成LT1083，电路一样，最大电流可达7.5A（但由于功率60W的限制，仍然保持在5A或以下为好），由于是低压差的，因此起始电压可降低一些，达到2.5V，但除了最小电流大一些（10mA）外，最大的弱点是输入端需要一个10uF的电容，这个电容不加，则电流就上不去。当然，电阻上并联的电容不是必需的。有了输入电容后，交流的纹波或者是开关电源的干扰，就不再具有恒流特性，会通过这个电容加到输出上去。


如果换成AMS1083，则与LT1083很类似，最大电流可达8A（但60W的功率不太大），也是低压差的，不过只说明了需要较大的输出电容（这个没关系），没有任何地方提到需要输入电容：






如果换成HT7318，低压差小功率1.8V稳压IC，那么工作电流可以很小，从5uA起，一直到250mA（但要注意功率），工作电压是2V到12V。当然，由于必须接入10uF的输入电容，因此只适合直流使用。


5、三端并联稳压器加元件
三端并联稳压做恒流源麻烦些，比如常见的TL431，最小维持电流0.4mA，最好1mA。这样恒流电流要远大于1mA才有较好的效果，而附加的三极管放大倍数要大才好，所以最好用达林顿。

另外，TL431本身消耗了2.5V，也不算小。为了减少这样的限制，可以采用LMV431或者AZ432，是1.23V的，最小维持电流也下降到80uA。另外，如果能找到国内少见的LM385-ADJ，也是1.23V的但维持电流只有10uA，会大大降低最小可用电流。

6、其它恒流器件

LT3092，可设置2端恒流源，1.2V到40V，0.4mA到200mA

国半的LM334，自己叫可调恒流源，实际上是三段器件，需要加一个电流设定电阻才能成为恒流源，1uA-10mA，而且这个恒流源是与绝对温度成正比的的。

常见的温度传感器AD590，也是类似的东西，只不过为两端器件，恒流电流的微安数就是绝对温度值。

REF200，有两个恒流源等

7、有源大电流

大电流恒流源，一方面需要比较理想的恒流性能，另一方面也需要辅助电源，使得在低压下性能得到改善，这样就必须采用常规的恒流电路，但这样一来势必需要运放和辅助电源，可以用电池提供，所谓内部有源。

下面就是一个采用了常规恒流电路并增加了9V电池的一个100A-300A（短期）-500A（瞬间）二端恒流管的例子：

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八、微电流源DIY

从国产WD-1的解刨情况看，微电流仪并不复杂，DIY比较容易，并着重解决如下问题：
1、体积重量很大，功耗也不小
2、交流供电容易引起干扰
3、精度不高


无源微电流源DIY方案一：
外壳采用小体积的铸铝盒或铝型材盒，长度大约18cm、宽度12cm，高度8cm
电源电池供电，可以做到耗电非常省，免除交流干扰
档位开关相同，从-5次方到-12次方
电压选择开关只用一个，小数的感觉没有必要，只输出如下电流点：
10、5、3、2、1.9、1、0.5、0.1、0.05、0.01
这样可以满足绝大部分校准需要，而且也大大简化了开关部分。
按理说，有10、5、3、2、1.9这5步就可以，小的电流可以用换档开关改变。但保留1、0.1、0.01的目的，在于可以用最后一个高阻生成尽可能小的电流。而0.5、0.05是顺带的，也可以改成0.3、0.03，甚至改成0.19、0.019。
制作时，把相关电阻串联起来对输入电源分压，波段开关接到抽头上即可。采用整数系数的好处是电阻比较好找，否则就需要定做，或者用串并联的方法解决。


无源微电流源DIY方案二：
类似上述，但开关采用这种，是BCD，直接驱动HC138这样的译码器，就可以实现档位变换、电阻变换：


电源部分，首先是一个档位开关联动的微调电流源，例如标称100uA，但分8档，可以用8个微调电阻控制，得到不同的电流，范围在90uA到110uA之间。
这个电流流过一个可调电阻，类似电阻箱，由三个BCD开关控制的8421码电阻串联，得到与电阻相关的线性的电压，用运放缓冲输出。
最后，这个电压接到档位电阻上，电阻的另一端输出。


无源微电流源DIY方案三：
非常简单的一个高阻集合，一端共用，采用BNC插座方式。
这实际上是一组规格很高的标准电阻，BNC的外壳兼做等电位屏蔽。
但是，配合程控基准源（例如5700、5440B、335D）可以输出非常高精度的电流。Keithley对6517的校准就是这样做的，这也就是Keithley 5156的做法。甚至配合程控电压源（例如HP6632、IT6122）也可以得到非常好的结果。


既然可以一物两用，何乐而不为呢？
因此，把你最好的1进高阻，接成这种方式，既当标准电阻用，也能作为微电流源发生器的重要组成部分。既能校准别人，也会让别人标定自己，在接受与给予的过程中实现自己的价值。


有源微电流源DIY方案：
电路应该都类似了，典型。但这里会采取一些措施如下：
1、运放采用最新的LMP7721，具备典型3fA的Ib、0.05mV的Vos，而且具备隔离屏蔽脚。低Ib是必须的，但低Vos尤其是低温漂（1.5uV/C）就可以采用相对小的电阻得到微电流，很有优势。
2、高阻的输出端采用等电位屏蔽，切换在高端。
3、采用1/10的工作电压，这样对高阻要求降低10倍，或者在相同高阻下，向下扩展一个量程

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九、保留3（测试）

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十、参考资料

电阻式直流小电流标准恒流源.pdf (1.08 MB, 下载次数: 1322)

2010-11-22 14:44 上传

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高性能微电流集成放大器的设计.pdf (128 KB, 下载次数: 429)

2010-11-22 15:18 上传

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分光光度计用高精度恒流源的设计与分析.pdf (139 KB, 下载次数: 442)

2010-11-22 15:19 上传

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【全文完】

youngliu

我10楼也算沙发，谁叫俺们水平高呢

yjm2000

板凳，来得早不如来得巧！

zoo

我也发沙一下！

3609

走宝，只能地下室了

grn

学习

爱好一点

也进来学习。

轩尼诗

旁观。

haianxian

minimog

图都挂了。老大来弄下阿

小菜青虫

这样的科普贴一定要看。感谢楼主发帖！

azi1974

经常来学习学习，就会有进步！

阳阳

用lm334组成微恒流源，可对其他恒流源进行温度补偿。

tony

不是一般的高人！

xukaiming

有人发起过DIY 吗？

zsxlh

深入浅出，科普好文。