深入剖析LM134/LM234/LM334 3 - 終端可調(diào)電流源

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可調(diào)電流源是一種非常重要的基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于各種電路中。今天我們就來(lái)詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的LM134/LM234/LM334 3 - 終端可調(diào)電流源。

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產(chǎn)品概述

LM134/LM234/LM334是3 - 終端可調(diào)電流源，具有10,000:1的工作電流范圍、出色的電流調(diào)節(jié)能力以及1V至40V的寬動(dòng)態(tài)電壓范圍。僅需一個(gè)外部電阻即可設(shè)置電流，初始電流精度為±3%。它們是真正的浮動(dòng)電流源，無(wú)需單獨(dú)的電源連接。此外，在高達(dá)20V的反向施加電壓下，僅會(huì)吸收幾十微安的電流，這使得它們?cè)诮涣鲬?yīng)用中既可以作為整流器，又可以作為電流源。

產(chǎn)品特性

• 寬電壓范圍：可在1V至40V的電壓下工作。
• 高精度調(diào)節(jié)：電流調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.02%/V，可編程范圍從1μA到10mA。
• 溫度特性：在25°C時(shí)，用于建立工作電流的感應(yīng)電壓為64mV，且與絕對(duì)溫度（°K）成正比。通過(guò)簡(jiǎn)單的單外部電阻連接，可產(chǎn)生約+0.33%/°C的溫度依賴性；添加一個(gè)額外的電阻和一個(gè)二極管可實(shí)現(xiàn)零漂移操作。
• 溫度傳感器功能：LM234 - 3和LM234 - 6被指定為真正的溫度傳感器，初始精度分別為±3°C和±6°C。由于長(zhǎng)線路中的串聯(lián)電阻不影響精度，非常適合遠(yuǎn)程感應(yīng)應(yīng)用，且僅需2根電線。
• 多種封裝形式：提供TO密封、TO - 92和SOIC - 8塑料封裝。

應(yīng)用領(lǐng)域

這些電流源的應(yīng)用包括偏置網(wǎng)絡(luò)、浪涌保護(hù)、低功率參考、斜坡生成、LED驅(qū)動(dòng)和溫度感測(cè)等。

重要參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

工作溫度范圍

• LM134：?55°C至+125°C
• LM234/LM234 - 3/LM234 - 6：?25°C至+100°C
• LM334：0°C至+70°C

熱特性

電氣特性

設(shè)置電流誤差

在不同的設(shè)置電流范圍內(nèi)，設(shè)置電流誤差有所不同。例如，在2uA ≤ ISET ≤ 1mA時(shí)，LM134/LM234的典型誤差為3%，最大誤差為6%；在1mA < ISET ≤ 5mA時(shí)，典型誤差為5%，最大誤差為8%。

最小工作電壓

隨著設(shè)置電流的增加，最小工作電壓也會(huì)相應(yīng)增加。如在2uA ≤ ISET ≤ 100uA時(shí)，最小工作電壓為0.8V；在100pA < ISET ≤ 1mA時(shí)，為0.9V；在1mA < ISET ≤ 5mA時(shí)，為1.0V。

平均設(shè)置電流隨輸入電壓的變化

在不同的電壓范圍和設(shè)置電流下，平均設(shè)置電流隨輸入電壓的變化率不同。例如，在2uA ≤ ISET ≤ 1mA，1.5V ≤ V + ≤ 5V時(shí)，變化率為0.02%/V至0.05%/V；在5V ≤ V + ≤ 40V時(shí)，變化率為0.01%/V至0.03%/V。

設(shè)置電流的溫度依賴性

設(shè)置電流與絕對(duì)溫度（°K）成正比，在25uA ≤ ISET ≤ 1mA時(shí)，溫度依賴性為0.96T至1.04T。

典型性能特性

文檔中提供了多個(gè)典型性能特性的圖表，包括不同參數(shù)隨時(shí)間、電壓等的變化曲線。這些圖表有助于工程師更好地了解器件在不同工作條件下的性能，從而進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。例如，通過(guò)觀察開啟電壓與設(shè)置電流的關(guān)系曲線，可以確定在特定設(shè)置電流下的最小開啟電壓。

設(shè)計(jì)應(yīng)用提示

計(jì)算$R_{SET}$

總電流$I{SET}$是通過(guò)設(shè)置電阻$R{SET}$的電流$I{R}$和LM134的偏置電流$I{BIAS}$之和。根據(jù)電氣特性中規(guī)定的$I{SET}$與$I{BIAS}$的比值$n$，可以簡(jiǎn)化計(jì)算。對(duì)于大多數(shù)設(shè)置電流，公式可簡(jiǎn)化為$I{SET}=frac{227 mu V /% K}{R{SET}}$。

壓擺率

當(dāng)壓擺率超過(guò)給定閾值時(shí)，LM134可能會(huì)出現(xiàn)非線性電流偏移。壓擺率閾值與$I{SET}$成正比，如$I{SET}=10 mu A$時(shí)，最大dV/dt為0.01V/μs；$I_{SET}=1mA$時(shí)，極限為1V/μs。超過(guò)極限的壓擺率不會(huì)損壞LM134，也不會(huì)導(dǎo)致大電流流動(dòng)。

熱效應(yīng)

當(dāng)$I{SET}$大于100μA時(shí)，內(nèi)部發(fā)熱會(huì)對(duì)電流調(diào)節(jié)產(chǎn)生顯著影響。例如，在$I{SET}=1mA$時(shí)，LM134兩端每增加1V電壓，結(jié)溫將升高約0.4°C，從而導(dǎo)致電流變化約0.132%。在直流調(diào)節(jié)要求嚴(yán)格且$I_{SET}$超過(guò)100μA時(shí)，必須考慮熱效應(yīng)。通過(guò)對(duì)TO封裝或TO - 92引腳進(jìn)行散熱處理，可以將這種影響降低3倍以上。

并聯(lián)電容

在某些應(yīng)用中，LM134的15pF并聯(lián)電容可能需要減小，可通過(guò)使用FET對(duì)其進(jìn)行緩沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣可以將電容減小到小于3pF，并將調(diào)節(jié)性能提高至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，且不會(huì)影響除最小輸入電壓之外的直流特性。

噪聲

LM134產(chǎn)生的電流噪聲約為晶體管散粒噪聲的4倍。如果將其用作晶體管放大器的有源負(fù)載，輸入?yún)⒖荚肼晫⒃黾蛹s12dB。在許多情況下，這是可以接受的，并且可以構(gòu)建電壓增益超過(guò)2000的單級(jí)放大器。

引線電阻

由于決定LM134工作電流的感應(yīng)電壓小于100mV，因此應(yīng)盡量減小熱電偶或引線電阻的影響。應(yīng)將電流設(shè)置電阻物理上靠近器件，并盡量避免使用插座。在1mA電流水平下，僅0.7Ω的接觸電阻就會(huì)使輸出電流降低1%。

溫度傳感

LM134是理想的遠(yuǎn)程溫度傳感器，其電流模式操作在長(zhǎng)線路傳輸中不會(huì)損失精度。輸出電流與絕對(duì)溫度（°K）成正比，公式為$I{SET}=frac{(227 mu V / K)(1)}{R{SET}}$。由于大部分初始誤差是由增益項(xiàng)（斜率誤差）而非偏移引起的，因此LM134的校準(zhǔn)大大簡(jiǎn)化。只需進(jìn)行增益調(diào)整即可同時(shí)調(diào)整斜率和零點(diǎn)，且增益調(diào)整是單點(diǎn)校準(zhǔn)，因?yàn)長(zhǎng)M134的輸出在0°K時(shí)外推為零，與$R_{SET}$或任何初始誤差無(wú)關(guān)。

零溫度系數(shù)電流源應(yīng)用

通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)LM134配置中添加一個(gè)二極管和一個(gè)電阻，可以抵消LM134的溫度相關(guān)特性。具體來(lái)說(shuō)，電路通過(guò)平衡LM134的正溫度系數(shù)（約+0.23mV/°C）和正向偏置硅二極管的負(fù)溫度系數(shù)（約?2.5mV/°C）來(lái)實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)。

計(jì)算步驟

1. 首先，根據(jù)以下方程最小化電路的溫度系數(shù)：
   • $frac{di{SET}}{dT}=frac{dl{1}}{dT}+frac{dl{2}}{dT} approx frac{227 mu V /^{circ} C}{R{1}}+frac{227 mu V /^{circ} C - 2.5 mV /^{circ} C}{R_{2}} = 0$
   • 解得$frac{R{2}}{R{1}} approx frac{2.5 mV /^{circ} C - 227 mu V /^{circ} C}{227 mu V /^{circ} C} approx 10.0$
2. 確定$R{1}$與$R{2}$的比值后，根據(jù)所需的設(shè)置電流確定$R{1}$和$R{2}$的值。在$T = 25^{circ} C$時(shí)，設(shè)置電流$I{SET}=I{1}+I{2}+I{BIAS}$，其中$I{1}=frac{V{R}}{R{1}}$，$I{2}=frac{V{R}+V{D}}{R_{2}}$。

   示例

   以創(chuàng)建一個(gè)1mA的零溫度系數(shù)電流源為例：

3. 求解$R{1}$和$R{2}$：
   • 由$I{SET} approx 1 mA=frac{0.134 V}{R{1}}$，可得$R{1}=134 Omega$，$R{2}=1340 Omega = 10R_{1}$。
   • 可將$R{1}$和$R{2}$的值更改為標(biāo)準(zhǔn)的1%電阻值（$R{1}=133 Omega$，$R{2}=1.33 k Omega$），誤差小于0.75%。
4. 考慮二極管正向電壓降的誤差：
   • 如果二極管的正向電壓降為0.65V而不是估計(jì)的0.6V（誤差為8%），實(shí)際設(shè)置電流為$I_{SET}=frac{67.7 mV}{133}+frac{67.7 mV + 0.65 V}{1330}=1.049 mA$，誤差小于5%。
5. 考慮二極管溫度系數(shù)的誤差：
   • 如果二極管的溫度系數(shù)估計(jì)為2.6mV/°C而不是2.5mV/°C（誤差為4%），電路的溫度系數(shù)為$frac{d l{SET}}{d T}=frac{d l{1}}{d T}+frac{d l_{2}}{d T}=frac{227 mu V /^{circ} C}{133 Omega}+frac{227 mu V /^{circ} C - 2.6 mV /^{circ} C}{1330 Omega}=-77 nA /^{circ} C$。而一個(gè)沒(méi)有溫度補(bǔ)償?shù)?mA LM134電流源的溫度系數(shù)為$frac{227 mu V / C}{68 Omega}=3.3 mu A /^{circ} C$。這表明即使二極管的溫度系數(shù)與估計(jì)值有一定偏差，電路仍然能夠消除LM134固有溫度系數(shù)的98%。

典型應(yīng)用電路

文檔中還提供了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如接地參考華氏溫度計(jì)、遠(yuǎn)程傳感器電壓輸出終端、低輸出阻抗溫度計(jì)、更高輸出電流電路、基本2 - 終端電流源、微功率偏置電路、低輸入電壓參考驅(qū)動(dòng)器、斜坡發(fā)生器、1.2V參考電路、1.2V穩(wěn)壓器、齊納偏置電路、替代微調(diào)技術(shù)電路、光電導(dǎo)電池緩沖電路、FET級(jí)聯(lián)電路、負(fù)輸出阻抗生成電路和在線電流限制器等。這些電路展示了LM134/LM234/LM334在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的具體實(shí)現(xiàn)方式，為工程師提供了設(shè)計(jì)參考。

總之，LM134/LM234/LM334是一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的可調(diào)電流源。通過(guò)深入了解其特性、電氣參數(shù)和應(yīng)用提示，工程師可以更好地利用這些器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，滿足不同的應(yīng)用需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，大家還需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求，仔細(xì)考慮各種因素，以確保設(shè)計(jì)的電路性能穩(wěn)定、可靠。你在使用這些器件的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。