求助：做一个5uA-5mA的程控恒流源，如何能达到100ppm的精度

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如题，需要做5uA-5mA的程控恒流源，希望精度能达到100ppm。
程控端是16bit DAC输出0~5V电压，姑且认为精度足够高。OP07C+AD620+N-MOS完成横流反馈环路。精密电阻部分希望选用的是5ppm的DALE电阻。电路图如下：


目前有疑问如下：
（1）这样的电路，在校准（校准失调电压及电流）后能否满足100ppm的精度。目前较为担心与温度相关的参数，如OP07C的输入失调电压Vs温度=0.5uV/C（Type），AD620的增益Vs温度=-50ppm/C（Max），输入失调电压Vs温度=1uV/C（Max），输出失调电压Vs温度=15uV/C（Max），使用环境为25C+-5C。
（2）依据上面的相关参数，不知AD620及OP07C是否适合。目前较为担忧AD620的参数是否满足，也想用参数更优的INA114，但是这颗料价格也比较贵。

（请先忽略恒流源需要补偿MOS的部分，目前仅探讨这样的电路能否达到所需精度）

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gyzzg2030 发表于 2016-7-10 22:32
最关键的是小于100PPM的基准吧

这个是程控的，由DA输出较高精度的电压。另，基准是2ppm/C的

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lingdianhao 发表于 2016-7-11 07:19
楼主你说的精度还是温漂，两个概念。

要求的精度，即万分之一的精度。温漂和工作温度关系比较大，不同的工作温度会影响到精度。所以是希望在25+-5度范围内对精度没有太大的影响，不能是精度低于万分之一。

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aduecho 发表于 2016-7-11 12:15
AD620的线性度需要考虑，可以考虑下增大采样电阻到2k，用一个opa2277做恒流和跟随。基准源2ppm估计是liner ...

AD620的线性度问题，能否软件上拟合过来？现在比较担心的是AD620的温漂问题。单单增益Vs温度就已经50ppm/C了，如果温度变化5度，那就是250ppm。已经超过了所要求的100ppm精度了。

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aduecho 发表于 2016-7-11 13:54
估计难调，像有的adc写的就是不可调整误差。我试了下我的板子，还是上周初步校准了下dac，目前准确度还行 ...

挺厉害的，不过我的在5uA就不需要这么高精度了。只需要在5mA档做到万分之一精度就够了。另，3458A好漂亮。。

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albert_w 发表于 2016-7-11 14:38
尽可能避免搞差分的形式，对电阻要求太高了，而且这个适配不好校正。
前几天正好有帖子问电路，参考那个电 ...

因为应用需求原因，电流检测实在没办法放到高端进行检测。能否请教一下跨阻部分该如何做？

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aduecho 发表于 2016-7-11 15:30
你5ma档位范围和分辨率分别是多少？我可以把我的毫安档校准下，用热风试试温漂，给你做个参考。 ...

没有做分档，直接是5uA~5mA，只需要在输出5mA时，能有万分之一精度。5uA级别不需要这么高精度。

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aduecho 发表于 2016-7-11 16:45
有难度，我的16位dac和100欧电阻，室温抖动在30na左右。换成大点的电阻会好点。 ...

经过这两天的思考，方案已经确定，初步预计效果会比AD620好。希望后面具体实施，能对我的方案加以验证。感谢您提供的实际参考，让我也期望能达到您的效果。还有个问题想向您请教一下，请问分段是如何达到的？是用继电器吗，或是其他的器件，感谢指导！

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redroof 发表于 2016-7-13 09:45
对！才是懂得"精度"两个字含义的人。

如有妄言，多谅。才进这门，还不知水有多深，可能离门槛都有段距离。

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ibmx311 发表于 2016-7-13 13:47
获得精度和获得分辨率是截然不同的概念
3458A的字跳没准是正确的结果,而不跳是掩耳盗铃
干这个,大多数人都 ...

实际应用场景可能会比较理想，实验室恒温25度。之前考虑的过于简单，希望做到+-5度的万一精度，其实这个还是很难达到的。现在我也不清楚能做到什么水平，只是希望每个环节理清楚，希望能控制好，能做到25度万一精度就最好了。

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673104326 发表于 2016-7-13 14:11
LZ位的电路能正常工作吗？ OP07是当比较器用？

前一阵还看恒流源了。。。。。。

是可以工作的，实际上OP07是实现了电流串联负反馈，只是中间加了一级AD620的放大。

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redroof 发表于 2016-7-15 10:26
想对地输岀电流，只能是差分反馈。
所以系统中的最大误差就是仪放的cmrr
尽量选个好点的仪放吧 ...

对于这个AD620来说，G=1,80dB的CMMR确实会有很大影响。不过考虑的主要原因是AD620的温漂太大了。现在方案已经改了，换了另外一种方式实现。

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redroof 发表于 2016-7-15 17:02
你最终选的什么电路？

采样电阻加大到500R，，电阻两边用精密运放做跟随，再使用差分运放放大2倍。这样实现虽然复杂，但是精度会比用AD620做的要高。这种类似于仪放的工作方式，实现效果比仪放好，缺点是放大倍数固定2倍。

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RAMILE 发表于 2016-7-15 16:03
用PWM 做 DAC 可以满足要求，响应会比较慢

或者，参考lilith的精密电压源，这些才华的人都被赶到38hot了 ...

最近也经常泡38hot，主要要是里面有lymex这样的大师，从他的文章中收获很大。理论与实践相结合的典范。

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redroof 发表于 2016-7-15 21:28
晕，我还以为是什么高级的电路。。。
你知道吗，差分运放内部也是有匹配电阻的，所以跟仪放是一样的后果 ...

我看了一下，差分运放内部的电阻有专门匹配过的，只用了四个，仪放内部有六个，加外部的增益电阻，就有7个了。感觉这么多电阻，温漂就是个大问题。另外，我觉得我也不需要很大的增益可调。所以就这样分离搭出来了。

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redroof 发表于 2016-7-15 22:21
同一代的仪放比差分运放从实用上就是多了输入端的两个运放缓冲器。
仪放自身就是高阻输入，差分运放不是 ...

我对比了一下AD8429和AD620的，AD8429算是比较新的，它的G=1时，CMMR为100dB，AD620的为92dB左右。新的是会好点
另外还有个问题，我想问一下，如果考虑温度因素进去，AD8429的Gain Vs Temp为G=1时10ppm/C，G>1时-80ppm/C。对于这项参数，不太理解，是不是温度变化超过亮度了，那就变为了160ppm了。希望指导一下。

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redroof 发表于 2016-7-15 22:58
主要因为你要外接一个增益电阻啊，内外的温漂不可能完全匹配。
如果为了温漂，应当选固定增益或引脚选择 ...

抱歉还是不能对Gain Vs Temp这个参数有比较好的理解，我看了一下固定增益的仪放是没有这个参数的。您说的内外温飘不一致，怎么就会有这么大的影响，我就搞不懂了。

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aduecho 发表于 2016-7-16 09:03
芯片内部的电阻都是100ppm的，当温度变化时内部电阻变化的方向都是一致的，所以比例变化不大。当你用外置电 ...

懂了，感谢解答。
还有个浅薄的问题要提一下，如果CMRR值不够高，必然会产生固定误差的情况下，是否可以通过校准的方式去把这个误差校准掉。
下面附图是CMRR产生输出误差的计算公式，忽略R2/R1在温飘上的变化，假设比值固定，那么ERROR输出与VIN和CMRR相关，由于CMRR是固定的（不知这个假设是否成立），那么ERROR输出和VIN就是线性的关系，这样是否可以校准掉这个误差。不知道我这有的理解是否正确？


也希望楼上的redroof大哥帮忙解答一下，感谢！

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redroof 发表于 2016-7-17 08:51
cmrr是很多因素的组合，根本不固定

了解了，我看了一下ADI新的仪放，CMRR似乎做的都不高，Type值在86dB左右，即20000左右，假设有2V的共模信号，那就是100ppm了，那这就是个问题了。。。
看了下固定增益的AD8225，他的CMRR最好才95dB，即56234，假设2V共模信号，那就是35ppm，似乎还可以。就是不知道是否能相信图表给出的这个曲线了。

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redroof 发表于 2016-7-17 08:51
cmrr是很多因素的组合，根本不固定

redroof大哥，我找了一份ADI写的关于“仪表放大器桥接电路误差预算分析”的文章，里面说CMR是可以通过校准消除的。附图如下：



所以我觉得CMR应该不是很大的问题，我外部校准掉应该就不会有影响。真正不能校准的应该是非线性的相关参数，如增益的非线性，及噪声等问题。

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aduecho 发表于 2016-7-16 09:03
芯片内部的电阻都是100ppm的，当温度变化时内部电阻变化的方向都是一致的，所以比例变化不大。当你用外置电 ...

aduecho大哥，我现在有个想法，想通过小信号继电器去扩量程，希望也能到5uA-5mA全量程100ppm（先不考虑温度问题），我想问的是有没有Idss漏电流很小的NMOS，或者PMOS。看您5uA档，已经是到pA级别了，这个太厉害了。我也有想过JFET的管子，但是因为历史原因，对其使用方式不熟悉，所以也不敢贸然的使用。

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redroof 发表于 2016-7-17 13:31
仪放就是运放加匹配电阻。
其中匹配电阻带来的误差确实是线性的，可校准，等价于这个电流源的内阻。
但运 ...

我看手册，提高增益是可以带来更好的CMRR，但是图表中的120dB就应该包含了仪放自身的CMR了，他都说120dB的是可以校准了。那我就不明白还有什么非线性的因素会导致CMR的变化，本身从我之前贴出的图来看，CMRR是在一段范围内是恒定的，与频率相关。但是我这里是恒流源，就是直流的控制。我能理解每颗料CMR值的差异，但是不能理解对于单个芯片来说CMR值还会怎么变化。我看很多教材也没有对CMR做出很好的解释，只是计算了CMR造成的误差。另外我还看到有教材说共模信号会导致静态工作点的变化，但是我这里的变化量是直流的，那么我觉得我可以理解为误差的输出也应该是线性的，输入的CM信号小，则误差小，输入的CM大，则误差大，是线性变化的。

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redroof 发表于 2016-7-17 14:38
给620校准cmr,或者给741运放校准vos，这些都是老掉牙的技术了。现在请用好一点的器件，别去校准！ ...

哎，木有办法，看了固定增益的AD8225，但是他的CMRR最低只有86dB，最好也不超过100dB。2V的共摸，如果按照最低86来算，就有100ppm了。

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aduecho 发表于 2016-7-17 13:43
另外图中有几十pa的抖动（最后两位）。最后一个0是na档位

aduecho兄，请教一个问题。
这个电路已经搭出来了，我控制DA输出了一个2.50004V的电压，最后一位跳动，这个电压是通过34401A采到的。同时也用示波器测了一下这个DA输出上的纹波，居然有十几mV。很奇怪，我用34401A的采数据“很稳”，但是示波器交流档又有十几mV的峰峰值电压。这个地方我不是太理解。假如我用AD去采这个2.50004V的电压，那么数据不是会变化很大么？

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aduecho 发表于 2016-9-14 18:25
34401的速度很慢的，他求得应该是有效值。纹波肯定存在的。你用ADC要看你的采样速率和计算方法（平均值？有 ...

纹波的问题大致已经清楚了。我的AD预计以1K的速率去采，取有效值。现在AD还有点问题，在调。

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mkliop 发表于 2016-9-14 19:38
AD420也可以，是单芯片方案，0-20MA

多谢，目前方案已定。而且我的应用还有些不一样。

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PCBBOY1991 发表于 2016-9-14 19:42
设置下nplc。

2.50004就是台表采出来的，只是用示波器看了一下这个信号，才发现的纹波/噪声较大。

X-savage

现在遇到一个更加棘手的问题：
偶然间将负载短路，就发现环路振荡了，200mV，500K的频率。如下图所示：



用示波器看信号，跟随电路有相移，差放也有相移，上边的运放也有相移，然后就振起来了。

请教一下该采取什么措施处理一下。

PS.用示波器看过正常的负载不短路的波形，其实也有振，只是幅度很低，和噪声混在一起了，几个mV。

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PCBBOY1991 发表于 2016-9-17 21:14
nplc设置的是采样周期，所以nplc越大，显示的数字抖动越小啊
。

我觉得并不关台表的事情，而是DA输出本身。。

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hhxb 发表于 2016-9-18 09:32
2个多月了，楼主连重点都没有找到

不是内行，只是个外行。希望多多指教

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hhxb 发表于 2016-9-18 11:18
稳定性是系统的基础，自身都震荡怎么用。
别人都已经讲过了，把BS123去掉直接用运放输出。
...

可是我的场景是需要MOS输出的，后期还希望用这种方式来做大电流的恒流源。

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hhxb 发表于 2016-9-18 12:19
你不如一步到位直接说你要做多大电流的，小电流和大电流的电路重点不一样。 ...

之前是想着先做一个5mA档的，然后后面在做500mA的。之前有在38上看到说运放直接输出不太好，所以就加了MOS。而且我的应用上，MOS也是必要的。所以请教一下，这种小电流情况下，该如何处理，该注意什么。电路有负载的情况下是不振的，极端情况下负载短路了才振起来的，并非一直在振。负载短路振荡是我偶然测试发现的，希望解决掉。

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振荡已经消除！