2012 年 12 月 电 子 测 试
Dec. 2012
高精度恒流源的设计与制作
米卫卫， 杨 风， 徐丽丽
（中北大学信息与通信工程学院 太原市 030051）
摘要：恒流源在现代检测计量领域中发挥了极其重要的作用。通过对恒流源的工作原理和设计方法进行研
究，对现有的恒流源设计方案进行对比，设计出毫安级高精度可调恒流源。电路由基准电压源、比较放大器、
调整管、采样电阻等部分构成，具体的工作过程：通过采样电阻把输出电流转变成电压，反馈给比较放大器输 入端，再与基准电压相比较，放大器把误差电压放大后去控制调整管的内阻对输出电流进行调整、维持输出
电流恒定。采用基本没有温度漂移的精密电阻作为采样电阻，功率达林顿管作为调整管，实现高精度的目的。
比较放大器的输入电压可调，从而实现恒流源的可调。用高精度电流表对输出电流进行检测，实现对恒流源 输出进行实时监测。此次所设计的恒流源具有精度高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉等优点。 关键词：恒流源；高精度；可调
中图分类号: TP277 文献标识码: A
High precision constant current source
design and production
Abstract: Constant-current source in the metrology area in modern detection plays a very important role. Through the constant current source of working principle and design method of the existing study, constant current source design schemes are compared, design a precision adjustable constant-current source. Circuit voltage source, comparative by benchmark amp- lifier, adjust tubes, sampling resistor etc components, specific work process: the output by sampling resistance, electric flow into voltage feedback to the comparative amplifier input, compared with benchmark voltage again the voltage amplifier, amplifier to control the adjustment tube after adjustment for output current internal, maintain the output current constant. Using basic no temperature drift precision resistor as sampling resistance, power of linton tube as adjust tube, realize high precision purpose. Compare the amplifier's input voltage of adjustable, so as to realize the constant-current source is adjustable. Adopting high precision testing of output current ammeter is to realize constant-current source real-time monitoring output. The design has the constant-current
Mi Weiwei，Yang Feng，Xu Lili
（Northern University of China，College of Informational and Communicating Engineering，Taiyuan 030051）
source of high precision, simple structure, stable work, convenient operation, low cost, etc.
Keywords: constant-current source；precision；adjustable
65
0 引言
本文设计了 1~45mA 连续可调高精度恒流
一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个 电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流 需求。
为了能够精确输出电流，通常使用一个运放 作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的 be
源，为了达到要求先收集功能相近的若干现有电
路，加以比较、分析各自的优缺点，然后取各家
之长为我所用，做出基本方案，再通过计算、实验、 电流导致的误差。
改进，完成任务。
1 几种常见恒流源电路
恒流源分为流出 (Current Source) 和流入 (Current Sink) 两种形式。
最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。 实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因 为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电
流规格比较少 ，价格比较贵也是重要原因。
最常用的简易恒流源如图 1 所示，用两只同
型三极管，利用三极管相对稳定的 be 电压作为 基准，电流数值为：I = Vbe/R1。
图 1 最常用的简易恒流源
这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数
值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利
于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其 be 电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有
66
典型的运放恒流源如图 2 所示，如果电流不
需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管 代替。
图 2 典型的运放恒流源
电流计算公式为：I = Vin/R1。这个电路可
以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和 可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于 搭建和调试。只不过其中的 Vin 还需要用户额外 提供。
从以上两个电路可以看出，恒流源有个定式
就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。 有了这个定式，恒流源的搭建就可以扩展到所有 可以提供这个“电压基准”的器件上。
2 1~45mA高精度恒流源的设计方案
2.1
整体框图
整体框图如图 3 所示。
它主要由基准电压源、比较放大器、调整管、
采样电阻等部分构成，电源为基准电压源、比较 器供电。简单的说是电流串联负反馈，具体的工
作过程：通过采样电阻把输出电流转变成电压， 反馈给比较放大器输入端，再与基准电压相比较， 放大器把误差电压放大后去控制调整管的内阻对 输出电流进行调整、维持输出电流恒定。
器供电。12V 电压可以由 220V 市电经变压、整流、 滤波、8712 稳压输出。电路如图 4 所示。
由于 12V 电压源比较普遍，并且稳定性能好， 所以本设计中直接用 12V 电源提供 12V 电压。 2.1.2 基准电压源
基准电压源选用常见的稳压二极管 LM385， LM385 系列为微功率二端带隙稳压器二极管。设 计工作于 10 微安到 20mA 的宽电流范围。这些 器件特征有非常低的动态阻抗，低噪声以及随时 间和温度稳定工作。通过片内微调可以实现严格 的电压误差。该器件大动态的操作范围使其适用 于变化范围很大的电源和具有优异调整能力的应
2.1.1 电源
图 3 整体框图
用场合。
选择直流 12V 电压源，给基准电压源、比较
图 4 具体电路
2.1.3 比较放大器
运算放大器的场合 。
LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式 和贴片式。 2.1.4 调整管
调整管选用 D1071。D1071 为低频大功率 NPN 型达林顿管，6A,40W。
比较放大器选用 LM358，LM358 内部包括 有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算 放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用， 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下， 电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传
感放大器、直流增益模组 , 音频放大器、工业控制、 2.1.5 电阻 DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用
采样电阻 RS
为 46Ω 的精密电阻， 型号
RII-81/4，精度为 0.1%，温度系数 ±25PPm/℃。
RV 为 10kΩ 的滑动变阻器，实现比较器输 入电压可调。从而使输出电流可调。 2.1.6 测量显示
为了实现对恒流源输出电流进行实时监测， 在负载电路中串联一高精度电流表。对电流进行 实时监测，可以用 AD 对采样电阻的电压进行采 集，加单片机对数据进行处理，送显示屏显示。
此处采用自带 AD 的 ATMEGA16 单片机，对数 据进行采集处理，送迪文显示屏显示，其图见图 5。
其中，JTAG 为程序下载接口，MAX3232 有 两组串口，分别与 PC 和迪文屏连接。由于 AD 精度有限、数据处理存在误差，而万用表上的电 流表测量部分比较常用，并且精度也能满足要求， 所以直接串联高精度电流表。
图 5 显示图
2.2 原理图
图 6 原理图
它主要由基准电压源、比较放大器、调整 管、采样电阻等部分构成，具体的工作过程：通
设计原理图如图 6 所示。
过采样电阻把输出电流转变成电压，反馈给比较 放大器输入端，再与基准电压相比较，放大器把 误差电压放大后去控制调整管的内阻对输出电流 进行调整、维持输出电流恒定。采用基本没有温 度漂移的精密电阻作为采样电阻，功率达林顿管 作为调整管，实现高精度的目的。比较放大器的 输入电压可调，从而实现恒流源的可调。用高精 度电流表对输出电流进行检测，实现对恒流源输 出进行实时监测。此次所设计的恒流源具有精度
68
高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉 等优点。
可证明其输出为恒流。 4.2.2 测出恒流范围
在某一负载下，移动 RV，读出电流表最大 值及最小值，即为恒流源的范围。 4.2.3 测出固定电流下的带负载能力
3 装配与调试
如原理图所示，连接电路。在万能板上合理
在固定电流下，改变负载，电流表示数改变
分配元器件的布局，认真焊接。注意 LM385 接 1、2 管脚，3 空置，习惯平视时从左到右依次为 1、2、3，1 管脚接地。为了测量方便、稳定，负 载电阻由固定阻值的电阻串联，在万能板上留出 端子，直接接线即可。为了更好的应用此恒流源， 负载电阻两接线端接凤凰端子，方便负载电阻的 切换，对此恒流源无用，但有助于改进。
时的电阻值（一般取较小值），此电阻值即为在 此电流下的恒流源的所能驱动的最大负载。
4.2.4 恒流源的精度
从两个方面测量，一是受时间的影响，二是
受负载的影响。即 RV 不变，RL 在一定范围内 改变，观察电流的波动；RV 不变、RL 不变，在 一定时间内观察电流的波动。
由于上述测量量之间有相互限制，所以开始
焊接好之后， 先对其进行调试。通电之
后，先用电压表测量 LM385 两端电压，电压在 2.45V 左右良好，否则检查电路。移动 RV，测量
时应反复测量。取合适值进行测量。
LM358 的 1 管脚即输出端电压，至良好。观察电 4.3 具体操作 流表是否有电流输出，输出则良好 。 4.3.1 电流固定，改变负载，记录电流表示数
以 15mA 为例，取 RL=46Ω，调节 RV 使电
4 测试与分析
4.1 测试内容
流表显示数值为 15mA，固定 RV，调接 RL 观察 电流表示数（见表 1）。
表
测试数据
1(a)
本电路的原理是调节 RV 可以改变输入比较
RL(Ω) 46 66.9
73.6 100.3 113.5 120.2 135.5 147.7
放大器的电压，进而改变恒流源输出电流的大小， I(mA) 通过电流表的读数，对恒流源进行实时监测。
14.999 14.998 14.997 14.994 14.994 14.993 14.991 14.99
恒流源电流范围，某一固定电流值时的带负
4.3.2 RL不变，RV改变，记录电流范围
选择 RL=46Ω，调节 RV，读出电流表的示数。 载能力。电流固定、负载固定在一定时间内，电
得出恒流源量程范围为0~49mA。
流的波动。电流固定时，在其带负载能力范围内，
4.3.3 RV不变（固定一电流值），RL范围 电流的波动。
电流取值 1~45mA 分别记录 RL
测试方法 4.2
4.2.1 证明输出恒流
以 15mA 为例，取 RL=46Ω，调节 RV 使电 流表显示数值为 15mA，固定 RV，调节 RL, 测
当电流固定，改变负载，电流表示数不变时， 量 D1071 的 BC 端电压，
电压为负且电流表示数
2012 年 12 月 电 子 测 试
Dec. 2012
高精度恒流源的设计与制作
米卫卫， 杨 风， 徐丽丽
（中北大学信息与通信工程学院 太原市 030051）
摘要：恒流源在现代检测计量领域中发挥了极其重要的作用。通过对恒流源的工作原理和设计方法进行研
究，对现有的恒流源设计方案进行对比，设计出毫安级高精度可调恒流源。电路由基准电压源、比较放大器、
调整管、采样电阻等部分构成，具体的工作过程：通过采样电阻把输出电流转变成电压，反馈给比较放大器输 入端，再与基准电压相比较，放大器把误差电压放大后去控制调整管的内阻对输出电流进行调整、维持输出
电流恒定。采用基本没有温度漂移的精密电阻作为采样电阻，功率达林顿管作为调整管，实现高精度的目的。
比较放大器的输入电压可调，从而实现恒流源的可调。用高精度电流表对输出电流进行检测，实现对恒流源 输出进行实时监测。此次所设计的恒流源具有精度高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉等优点。 关键词：恒流源；高精度；可调
中图分类号: TP277 文献标识码: A
High precision constant current source
design and production
Abstract: Constant-current source in the metrology area in modern detection plays a very important role. Through the constant current source of working principle and design method of the existing study, constant current source design schemes are compared, design a precision adjustable constant-current source. Circuit voltage source, comparative by benchmark amp- lifier, adjust tubes, sampling resistor etc components, specific work process: the output by sampling resistance, electric flow into voltage feedback to the comparative amplifier input, compared with benchmark voltage again the voltage amplifier, amplifier to control the adjustment tube after adjustment for output current internal, maintain the output current constant. Using basic no temperature drift precision resistor as sampling resistance, power of linton tube as adjust tube, realize high precision purpose. Compare the amplifier's input voltage of adjustable, so as to realize the constant-current source is adjustable. Adopting high precision testing of output current ammeter is to realize constant-current source real-time monitoring output. The design has the constant-current
Mi Weiwei，Yang Feng，Xu Lili
（Northern University of China，College of Informational and Communicating Engineering，Taiyuan 030051）
source of high precision, simple structure, stable work, convenient operation, low cost, etc.
Keywords: constant-current source；precision；adjustable
65
0 引言
本文设计了 1~45mA 连续可调高精度恒流
一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个 电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流 需求。
为了能够精确输出电流，通常使用一个运放 作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的 be
源，为了达到要求先收集功能相近的若干现有电
路，加以比较、分析各自的优缺点，然后取各家
之长为我所用，做出基本方案，再通过计算、实验、 电流导致的误差。
改进，完成任务。
1 几种常见恒流源电路
恒流源分为流出 (Current Source) 和流入 (Current Sink) 两种形式。
最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。 实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因 为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电
流规格比较少 ，价格比较贵也是重要原因。
最常用的简易恒流源如图 1 所示，用两只同
型三极管，利用三极管相对稳定的 be 电压作为 基准，电流数值为：I = Vbe/R1。
图 1 最常用的简易恒流源
这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数
值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利
于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其 be 电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有
66
典型的运放恒流源如图 2 所示，如果电流不
需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管 代替。
图 2 典型的运放恒流源
电流计算公式为：I = Vin/R1。这个电路可
以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和 可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于 搭建和调试。只不过其中的 Vin 还需要用户额外 提供。
从以上两个电路可以看出，恒流源有个定式
就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。 有了这个定式，恒流源的搭建就可以扩展到所有 可以提供这个“电压基准”的器件上。
2 1~45mA高精度恒流源的设计方案
2.1
整体框图
整体框图如图 3 所示。
它主要由基准电压源、比较放大器、调整管、
采样电阻等部分构成，电源为基准电压源、比较 器供电。简单的说是电流串联负反馈，具体的工
作过程：通过采样电阻把输出电流转变成电压， 反馈给比较放大器输入端，再与基准电压相比较， 放大器把误差电压放大后去控制调整管的内阻对 输出电流进行调整、维持输出电流恒定。
器供电。12V 电压可以由 220V 市电经变压、整流、 滤波、8712 稳压输出。电路如图 4 所示。
由于 12V 电压源比较普遍，并且稳定性能好， 所以本设计中直接用 12V 电源提供 12V 电压。 2.1.2 基准电压源
基准电压源选用常见的稳压二极管 LM385， LM385 系列为微功率二端带隙稳压器二极管。设 计工作于 10 微安到 20mA 的宽电流范围。这些 器件特征有非常低的动态阻抗，低噪声以及随时 间和温度稳定工作。通过片内微调可以实现严格 的电压误差。该器件大动态的操作范围使其适用 于变化范围很大的电源和具有优异调整能力的应
2.1.1 电源
图 3 整体框图
用场合。
选择直流 12V 电压源，给基准电压源、比较
图 4 具体电路
2.1.3 比较放大器
运算放大器的场合 。
LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式 和贴片式。 2.1.4 调整管
调整管选用 D1071。D1071 为低频大功率 NPN 型达林顿管，6A,40W。
比较放大器选用 LM358，LM358 内部包括 有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算 放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用， 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下， 电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传
感放大器、直流增益模组 , 音频放大器、工业控制、 2.1.5 电阻 DC 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用
采样电阻 RS
为 46Ω 的精密电阻， 型号
RII-81/4，精度为 0.1%，温度系数 ±25PPm/℃。
RV 为 10kΩ 的滑动变阻器，实现比较器输 入电压可调。从而使输出电流可调。 2.1.6 测量显示
为了实现对恒流源输出电流进行实时监测， 在负载电路中串联一高精度电流表。对电流进行 实时监测，可以用 AD 对采样电阻的电压进行采 集，加单片机对数据进行处理，送显示屏显示。
此处采用自带 AD 的 ATMEGA16 单片机，对数 据进行采集处理，送迪文显示屏显示，其图见图 5。
其中，JTAG 为程序下载接口，MAX3232 有 两组串口，分别与 PC 和迪文屏连接。由于 AD 精度有限、数据处理存在误差，而万用表上的电 流表测量部分比较常用，并且精度也能满足要求， 所以直接串联高精度电流表。
图 5 显示图
2.2 原理图
图 6 原理图
它主要由基准电压源、比较放大器、调整 管、采样电阻等部分构成，具体的工作过程：通
设计原理图如图 6 所示。
过采样电阻把输出电流转变成电压，反馈给比较 放大器输入端，再与基准电压相比较，放大器把 误差电压放大后去控制调整管的内阻对输出电流 进行调整、维持输出电流恒定。采用基本没有温 度漂移的精密电阻作为采样电阻，功率达林顿管 作为调整管，实现高精度的目的。比较放大器的 输入电压可调，从而实现恒流源的可调。用高精 度电流表对输出电流进行检测，实现对恒流源输 出进行实时监测。此次所设计的恒流源具有精度
68
高、结构简单、工作稳定、操作方便、成本低廉 等优点。
可证明其输出为恒流。 4.2.2 测出恒流范围
在某一负载下，移动 RV，读出电流表最大 值及最小值，即为恒流源的范围。 4.2.3 测出固定电流下的带负载能力
3 装配与调试
如原理图所示，连接电路。在万能板上合理
在固定电流下，改变负载，电流表示数改变
分配元器件的布局，认真焊接。注意 LM385 接 1、2 管脚，3 空置，习惯平视时从左到右依次为 1、2、3，1 管脚接地。为了测量方便、稳定，负 载电阻由固定阻值的电阻串联，在万能板上留出 端子，直接接线即可。为了更好的应用此恒流源， 负载电阻两接线端接凤凰端子，方便负载电阻的 切换，对此恒流源无用，但有助于改进。
时的电阻值（一般取较小值），此电阻值即为在 此电流下的恒流源的所能驱动的最大负载。
4.2.4 恒流源的精度
从两个方面测量，一是受时间的影响，二是
受负载的影响。即 RV 不变，RL 在一定范围内 改变，观察电流的波动；RV 不变、RL 不变，在 一定时间内观察电流的波动。
由于上述测量量之间有相互限制，所以开始
焊接好之后， 先对其进行调试。通电之
后，先用电压表测量 LM385 两端电压，电压在 2.45V 左右良好，否则检查电路。移动 RV，测量
时应反复测量。取合适值进行测量。
LM358 的 1 管脚即输出端电压，至良好。观察电 4.3 具体操作 流表是否有电流输出，输出则良好 。 4.3.1 电流固定，改变负载，记录电流表示数
以 15mA 为例，取 RL=46Ω，调节 RV 使电
4 测试与分析
4.1 测试内容
流表显示数值为 15mA，固定 RV，调接 RL 观察 电流表示数（见表 1）。
表
测试数据
1(a)
本电路的原理是调节 RV 可以改变输入比较
RL(Ω) 46 66.9
73.6 100.3 113.5 120.2 135.5 147.7
放大器的电压，进而改变恒流源输出电流的大小， I(mA) 通过电流表的读数，对恒流源进行实时监测。
14.999 14.998 14.997 14.994 14.994 14.993 14.991 14.99
恒流源电流范围，某一固定电流值时的带负
4.3.2 RL不变，RV改变，记录电流范围
选择 RL=46Ω，调节 RV，读出电流表的示数。 载能力。电流固定、负载固定在一定时间内，电
得出恒流源量程范围为0~49mA。
流的波动。电流固定时，在其带负载能力范围内，
4.3.3 RV不变（固定一电流值），RL范围 电流的波动。
电流取值 1~45mA 分别记录 RL
测试方法 4.2
4.2.1 证明输出恒流
以 15mA 为例，取 RL=46Ω，调节 RV 使电 流表显示数值为 15mA，固定 RV，调节 RL, 测
当电流固定，改变负载，电流表示数不变时， 量 D1071 的 BC 端电压，
电压为负且电流表示数