本發(fā)明屬于信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于組合法的脈沖電流源。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)等基礎(chǔ)學(xué)科的不斷進(jìn)步，脈沖電流源發(fā)展非常迅速，并憑借輸出電流幅值、脈寬在大范圍內(nèi)可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠和維修成本低等優(yōu)勢(shì)快速占領(lǐng)了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)。這些脈沖電流源產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于測(cè)試、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域中并發(fā)揮著非常重要的作用。

脈沖電流信號(hào)的上升時(shí)間是衡量脈沖電流波形質(zhì)量的重要參數(shù)，是影響脈沖電流源所在系統(tǒng)輸出性能的重要參數(shù)；同時(shí)，對(duì)于大電流，場(chǎng)效應(yīng)管的功耗較大，如何縮短脈沖電流上升時(shí)間并降低場(chǎng)效應(yīng)管的功耗是目前研究的重要課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于組合法的脈沖電流源，在降低壓控恒流源中場(chǎng)效應(yīng)管功耗的同時(shí)，縮短脈沖電流上升時(shí)間。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于組合法的脈沖電流源，其特征在于，包括：

一幅值可調(diào)恒流模塊，用于根據(jù)設(shè)定幅值低位電壓，輸出幅值可調(diào)的脈沖電流；

多個(gè)固定幅值輸出恒流模塊，用于分別輸出一個(gè)幅值固定的脈沖電流；

一恒流模塊選通控制開(kāi)關(guān)，用于根據(jù)高位選通控制信號(hào)選擇參考電壓輸入到相應(yīng)的固定幅值輸出的恒流模塊，從而輸出幅值固定的脈沖電流，根據(jù)低位選通控制信號(hào)選通設(shè)定幅值低位電壓到幅值可調(diào)恒流模塊，輸出幅值可調(diào)的脈沖電流；

一控制電路，用于根據(jù)設(shè)置輸出脈沖電流幅值高位，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)固定幅值輸出恒流模塊的選擇值，該選擇值分別與脈寬控制信號(hào)進(jìn)行與操作，輸出高位選通控制信號(hào)，同時(shí)，將脈寬控制信號(hào)作為低位選通控制信號(hào)；

一幅值電壓轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)設(shè)置輸出脈沖電流幅值低位，輸出設(shè)定幅值低位電壓；

所述幅值可調(diào)恒流模塊包括一個(gè)主壓控恒流源以及一個(gè)與主壓控恒流源并聯(lián)的微分補(bǔ)償壓控恒流源，主壓控恒流源根據(jù)選擇設(shè)定幅值低位電壓輸出相應(yīng)大小的脈沖電流，微分補(bǔ)償壓控恒流源對(duì)設(shè)定幅值低位電壓選通時(shí)的電壓信號(hào)進(jìn)行微分，輸出尖峰脈沖電流，并疊加到主壓控恒流源輸出的脈沖電流上，得到幅值可調(diào)的脈沖電流；

所述多個(gè)固定幅值輸出恒流模塊均包括一個(gè)主壓控恒流源以及一個(gè)與主壓控恒流源并聯(lián)的微分補(bǔ)償壓控恒流源，主壓控恒流源根據(jù)選擇參考電壓輸出相應(yīng)大小的脈沖電流，微分補(bǔ)償壓控恒流源對(duì)參考電壓選通時(shí)的電壓信號(hào)進(jìn)行微分，輸出尖峰脈沖電流，并疊加到主壓控恒流源輸出的脈沖電流上，得到幅值固定的脈沖電流；

將幅值可調(diào)的脈沖電流與各幅值固定的脈沖電流進(jìn)行疊加，得到設(shè)定幅值、設(shè)定脈寬的脈沖電流。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明基于組合法的脈沖電流源，采用一個(gè)幅值可調(diào)恒流模塊根據(jù)設(shè)置輸出脈沖電流幅值低位輸出低位的幅值可調(diào)的脈沖電流，采用多個(gè)固定幅值輸出恒流模塊，根據(jù)設(shè)置輸出脈沖電流幅值高位輸出0個(gè)至多個(gè)幅值固定的脈沖電流，然后，將低位的幅值可調(diào)的脈沖電流與幅值固定的脈沖電流進(jìn)行疊加，得到設(shè)定幅值、設(shè)定脈寬的脈沖電流，這樣，每個(gè)壓控恒流源的脈沖電流都可以在一個(gè)比較小限值內(nèi)，從而降低壓控恒流源中場(chǎng)效應(yīng)管功耗。同時(shí)，由于恒流模塊都由一個(gè)主壓控恒流源以及一個(gè)與主壓控恒流源并聯(lián)的微分補(bǔ)償壓控恒流源構(gòu)成，通過(guò)微分補(bǔ)償壓控恒流源對(duì)于壓控電壓信號(hào)的微分，得到一個(gè)尖峰脈沖電流，使得最終輸出的脈沖電流上升沿得到補(bǔ)償，縮短脈沖電流上升時(shí)間，改善了輸出波形的質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于組合法的脈沖電流源一種具體實(shí)施方式原理框圖；

圖2是圖1所示控制電路的電路原理示意圖；

圖3是圖1所示固定幅值輸出恒流模塊的電路原理框圖；

圖4是圖3所示固定幅值輸出恒流模塊中疊加微分補(bǔ)償電流前后，輸出脈沖信號(hào)波形圖；

圖5是圖3所示固定幅值輸出恒流模塊的具體電路原理示意圖；

圖6是圖5所示主壓控恒流源中放大器同相端輸入的脈沖電壓控制信號(hào)波形示意圖；

圖7是壓控恒流源同相輸入端電壓up、輸出端電壓ug和輸出電流id的關(guān)系示意圖；

圖8是小電流吸收電路原理圖；

圖9是吸收小電流前后輸出脈沖電流波形圖；

圖10是圖3所示微分補(bǔ)償電路示意圖；

圖11是圖10所示微分補(bǔ)償電路輸出波形圖；

圖12是圖10所示微分補(bǔ)償電路各點(diǎn)輸出波形圖；

圖13是輸出脈沖電流為2.50a時(shí)負(fù)載兩端脈沖電壓及上升沿波形圖；

圖14是輸出脈沖電流為5.00a時(shí)負(fù)載兩端脈沖電壓及上升沿波形圖；

圖15是輸出脈沖電流為9.00a時(shí)負(fù)載兩端脈沖電壓及上升沿波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

圖1是本發(fā)明基于組合法的脈沖電流源一種具體實(shí)施方式原理框圖。

在本實(shí)施例中，本發(fā)明通過(guò)組合法輸出幅值0-9.99a可調(diào)、脈寬0-99.99ms可調(diào)的脈沖電流。所謂組合法輸出即是通過(guò)將多個(gè)固定幅值輸出恒流源模塊和一個(gè)幅值可調(diào)恒流模塊按照一定規(guī)則進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)輸出大幅值可調(diào)脈沖電流輸出方案，采用組合法輸出脈沖電流不僅可以將場(chǎng)效應(yīng)管上的功耗分散在多只管子上，并且由于輸出幅值固定的脈沖電流產(chǎn)生模塊存在，也便于對(duì)輸出脈沖電流上升沿的調(diào)節(jié)。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明基于組合法的脈沖電流源包括幅值可調(diào)恒流模塊1、四個(gè)固定幅值輸出恒流模塊2、恒流模塊選通控制開(kāi)關(guān)3、控制電路4、幅值電壓轉(zhuǎn)換模塊5、幅值設(shè)置撥碼盤(pán)6、脈寬設(shè)置撥碼盤(pán)7、脈寬轉(zhuǎn)換模塊8。

其中，幅值設(shè)置撥碼盤(pán)6的低位幅值撥碼開(kāi)關(guān)即十分位、百分位輸出為設(shè)置輸出脈沖電流幅值低位，經(jīng)過(guò)幅值電壓轉(zhuǎn)換模塊5得到設(shè)定幅值低位電壓，該電壓在控制電路4輸出的低位選通控制信號(hào)控制下，通過(guò)恒流模塊選通控制開(kāi)關(guān)3輸入到幅值可調(diào)恒流模塊1，最終輸出0.99a幅值可調(diào)的脈沖電流。

幅值設(shè)置撥碼盤(pán)6的高位幅值撥碼開(kāi)關(guān)即個(gè)位輸出設(shè)置輸出脈沖電流幅值高位，在控制電路4中，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)固定幅值輸出恒流模塊的選擇值即個(gè)位碼值y4、y3、y2、y1，該選擇值y4、y3、y2、y1分別與脈寬控制信號(hào)cw進(jìn)行與操作，輸出高位選通控制信號(hào)k4、k3、k2、k1，同時(shí)，將脈寬控制信號(hào)作為低位選通控制信號(hào)k0。

恒流模塊選通控制開(kāi)關(guān)3根據(jù)高位選通控制信號(hào)選擇參考電壓輸入到相應(yīng)的固定幅值輸出的恒流模塊2，從而輸出幅值固定的脈沖電流.

將幅值可調(diào)的脈沖電流與各幅值固定的脈沖電流進(jìn)行疊加，得到設(shè)定幅值、設(shè)定脈寬的脈沖電流。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，脈沖電流源的工作狀態(tài)由控制電路4控制，控制電路4產(chǎn)生5路選通控制信號(hào)k4、k3、k2、k1、k0，分別控制4個(gè)固定幅值輸出恒流模塊2和一個(gè)幅值可調(diào)恒流模塊1的工作狀態(tài)。其中4個(gè)固定幅值輸出恒流模塊2可輸出幅值分別為2a、4a、2a、1a的脈沖電流，若將4個(gè)固定幅值輸出恒流模塊2按一定規(guī)則組合即可獲得幅值為0-9a的整數(shù)值脈沖電流。最后一路幅值可調(diào)恒流模塊1可根據(jù)十分位、百分位輸出幅值在0-0.99a之間可調(diào)的脈沖電流，將其疊加在4個(gè)固定幅值輸出恒流模塊2組合輸出的整數(shù)值電流上即可產(chǎn)生幅值為0-9.99a可調(diào)的脈沖電流。輸出脈沖電流幅值i可用下式表示：

ki＝0或1(ki＝0表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，ki＝1表示開(kāi)關(guān)閉合)

i0＝0-0.99a、i1＝1a、i2＝2a、i3＝4a、i4＝2a

當(dāng)ki以表1所示方式選通時(shí)，脈沖電流源即可輸出幅值0-9.99a可調(diào)的脈沖電流。

表1

例如，脈沖電流源要輸出幅值為5.16a的脈沖電流時(shí)，只需設(shè)置k4＝0，k3＝1，k2＝0，k1＝1，k0＝1，并使i0＝0.16a，這樣根據(jù)公式(2-1)可得：

下面將分別對(duì)控制電路、幅值可調(diào)恒流模塊、四個(gè)固定幅值輸出恒流模塊以及正負(fù)補(bǔ)償進(jìn)行介紹。

1、控制電路

在本實(shí)施例中，采用三個(gè)8421撥碼開(kāi)關(guān)作為幅值撥碼開(kāi)關(guān)組成的幅值設(shè)置撥碼盤(pán)6分別用來(lái)設(shè)置幅值個(gè)位、十分位和百分位數(shù)值。采用四個(gè)8421撥碼開(kāi)關(guān)作為脈寬設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān)組成的脈寬設(shè)置撥碼盤(pán)7分別用來(lái)設(shè)置脈寬十位、個(gè)位、十分位和百分位數(shù)值?？刂齐娐?負(fù)責(zé)將用戶設(shè)置輸出脈沖電流幅值高位轉(zhuǎn)換為相應(yīng)固定幅值輸出恒流模塊的選擇值即各位碼值y4、y3、y2、y1，該選擇值y4、y3、y2、y1分別與脈寬控制信號(hào)cw進(jìn)行與操作，輸出高位選通控制信號(hào)k4、k3、k2、k1，同時(shí)，將脈寬控制信號(hào)作為低位選通控制信號(hào)k0。

五路選通控制信號(hào)k4、k3、k2、k1和k0產(chǎn)生的電路原理圖如圖2所示。

將幅值撥碼開(kāi)關(guān)中，用于設(shè)置輸出脈沖電流幅值個(gè)位的撥碼開(kāi)關(guān)即最高位幅值撥碼開(kāi)關(guān)輸出的8421碼各位碼值d、c、b、a即設(shè)置輸出脈沖電流幅值高位，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后轉(zhuǎn)化為2421碼各位碼值y4、y3、y2、y1分別與高電平寬度與設(shè)置值相同的脈寬控制信號(hào)cw進(jìn)行與運(yùn)算后輸出作為各固定幅值輸出恒流模塊的選通控制信號(hào)k4、k3、k2、k1，而0-0.99a可調(diào)恒流源輸出模塊的選通控制信號(hào)k0則為脈寬控制信號(hào)cw本身，碼值轉(zhuǎn)換前后以及最終輸出的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)表如表2所示。

表2

此外脈寬控制信號(hào)cw由脈寬轉(zhuǎn)換模塊8產(chǎn)生，將四個(gè)脈寬設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān)輸出的8421碼值作為四片級(jí)聯(lián)十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器置數(shù)端的輸入信號(hào)，通過(guò)對(duì)100khz的時(shí)鐘進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)設(shè)置脈寬碼值在0000-9999變化時(shí)，精確定時(shí)0-99.99ms，并利用借位信號(hào)作為d觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)使其輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)從而獲得0-99.99ms可調(diào)的脈寬控制信號(hào)cw。

2、四個(gè)固定幅值輸出恒流模塊組成

在本實(shí)施例中，如圖1所示，由于四個(gè)固定幅值輸出恒流模塊2的結(jié)構(gòu)相同(只是其中的幅度調(diào)節(jié)電路存在增益上的差異)，故以其中一個(gè)模塊為例介紹脈沖電流的產(chǎn)生過(guò)程以及提升輸出脈沖電流上升沿的電路設(shè)計(jì)。另外，幅值可調(diào)恒流模塊1與四個(gè)固定幅值輸出恒流模塊2的結(jié)構(gòu)除了幅值調(diào)節(jié)電路外，其他的結(jié)構(gòu)也相同，同時(shí)，可將幅值可調(diào)恒流模塊1視為增益為1的特例。其原理不單獨(dú)介紹。

在本實(shí)施例中，如圖3所示，固定幅值輸出恒流模塊2包括主壓控恒流源201、微分補(bǔ)償電路202以及補(bǔ)償壓控恒流源203組成微分補(bǔ)償壓控恒流源、幅值調(diào)節(jié)電路204以及負(fù)補(bǔ)償電壓開(kāi)關(guān)205。

正補(bǔ)償電壓v+作為主壓控恒流源的輸入通過(guò)一個(gè)電阻r1接入到幅值調(diào)節(jié)電路204的輸入端，參考電壓(基準(zhǔn)電壓)vref通過(guò)一個(gè)電阻r2接入到恒流模塊選通控制開(kāi)關(guān)3，在高位選通控制信號(hào)為高電平時(shí)，連接到幅值調(diào)節(jié)電路204的輸入端，在高位選通控制信號(hào)為低電平時(shí)，恒流模塊選通控制開(kāi)關(guān)3將幅值調(diào)節(jié)電路204的輸入端接地；同時(shí)，正補(bǔ)償電壓v-通過(guò)一個(gè)可調(diào)電阻r3，接入到負(fù)補(bǔ)償電壓開(kāi)關(guān)205，在負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)為高電平時(shí)，連接到幅值調(diào)節(jié)電路204的輸入端，在負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)為低電平時(shí)負(fù)補(bǔ)償電壓開(kāi)關(guān)205將幅值調(diào)節(jié)電路204的輸入端接地。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，參考電壓vref和負(fù)補(bǔ)償電壓v-則受負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)和各路高位選通控制信號(hào)kx(x＝1、2、3、4)控制，經(jīng)幅值調(diào)節(jié)電路204后輸入主壓控恒流源201以及微分補(bǔ)償電路202的輸入端；

其中主壓控恒流源201是脈沖電流輸出的核心電路，當(dāng)基準(zhǔn)電阻一定時(shí)，其輸出脈沖電流幅值、脈寬由輸入基準(zhǔn)電壓幅值、脈寬決定。在本實(shí)施例中，為4組固定幅值輸出恒流模塊提供幅值相同的參考電壓vref，為實(shí)現(xiàn)輸出電流幅值分別為2a、4a、2a、1a的目的，在開(kāi)關(guān)k4、k3、k2和k1導(dǎo)通期間利用參考電壓幅值調(diào)節(jié)電路204為每一路主壓控恒流源以及一個(gè)與主壓控恒流源并聯(lián)的微分補(bǔ)償壓控恒流源提供所需幅值的基準(zhǔn)電壓vsdx(x＝1、2、3、4)，使每一個(gè)固定幅值輸出恒流模塊2輸出所需幅值的脈沖電流。正負(fù)補(bǔ)償電壓通過(guò)為主壓控恒流源201、補(bǔ)償壓控恒流源203中的場(chǎng)效應(yīng)管提供正負(fù)補(bǔ)償電壓，從而提升其開(kāi)啟速度，達(dá)到縮短輸出脈沖電流上升時(shí)間的目的，微分補(bǔ)償壓控恒流源的輸出為尖峰脈沖電流idx'，疊加在主壓控恒流源的輸出脈沖電流idx上則可補(bǔ)償脈沖電流的上升沿。

0-0.99a幅值可調(diào)恒流模塊1則由幅值撥碼開(kāi)關(guān)后兩位即即十分位、百分位輸出通過(guò)d/a轉(zhuǎn)換獲得幅值可調(diào)的基準(zhǔn)電壓vsd0后，送入幅值可調(diào)恒流模塊輸入端，從而輸出幅值在0-0.99a之間可調(diào)的脈沖電流。

圖4為固定幅值輸出恒流模塊中疊加微分補(bǔ)償電流前后，輸出脈沖信號(hào)上升沿的情況，可以看出僅由主壓控恒流源輸出的脈沖電流idx上升沿不是很陡峭，疊加微分補(bǔ)償電流即一個(gè)尖峰脈沖電流idx'后，最終輸出脈沖電流ix上升沿得到補(bǔ)償，改善了輸出波形的質(zhì)量。

2.1)、主壓控恒流源

主壓控恒流源201是脈沖電流產(chǎn)生的核心電路，當(dāng)基準(zhǔn)電阻一定時(shí)，輸出脈沖電流幅值由輸入?yún)⒖茧妷?基準(zhǔn)電壓)幅值決定。而脈沖電流的脈寬則通過(guò)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管截止、導(dǎo)通狀態(tài)的控制實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)給場(chǎng)效應(yīng)管的柵極施加脈沖電壓控制信號(hào)(高位選通控制信號(hào)選擇參考電壓形成，參考電壓為一個(gè)負(fù)電壓)，即脈沖電壓控制信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管將在脈沖電壓控制信號(hào)的下降沿，從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，由于場(chǎng)效應(yīng)管管內(nèi)導(dǎo)電通道的形成需要一個(gè)過(guò)程，所以場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通不是瞬間完成的，其兩端電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，這個(gè)電流上升的時(shí)間就是最終輸出脈沖電流的上升時(shí)間。所以輸出脈沖電流上升沿的速率與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通速度有關(guān)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通越快，輸出脈沖電流上升沿越陡峭。由于場(chǎng)效應(yīng)管從完全截止?fàn)顟B(tài)變化到完全導(dǎo)通狀態(tài)所克服的導(dǎo)通損耗較大，若在脈沖寬度控制信號(hào)來(lái)之前給場(chǎng)效應(yīng)管柵極提供一個(gè)幅值較小的負(fù)補(bǔ)償電壓進(jìn)行開(kāi)啟，則可使管子處于微導(dǎo)通狀態(tài)，這樣當(dāng)脈沖電壓控制信號(hào)(接通參考電壓)到來(lái)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管將從微導(dǎo)通狀態(tài)向完全導(dǎo)通狀態(tài)變化，從而提高了場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通的速度，縮短了輸出脈沖電流的上升時(shí)間。同時(shí)為了保證場(chǎng)效應(yīng)管安全工作，在脈沖電壓控制信號(hào)非有效電平區(qū)間為場(chǎng)效應(yīng)管柵極提供一個(gè)正的電壓信號(hào)，可以使得場(chǎng)效應(yīng)管處在可靠截止?fàn)顟B(tài)，保證脈沖電流源無(wú)電流產(chǎn)生。

在本實(shí)施例中，脈沖電流源最大輸出電流imax為9.99a，最大負(fù)載電阻rlmax為5ω，為使主壓控恒流源201可以向負(fù)載提供全量程范圍內(nèi)幅值可調(diào)的脈沖電流，故根據(jù)公式va＝imaxrlmax+20v(20v為安全電壓裕量)計(jì)算可得uag＝70v。

主壓控恒流源201中的運(yùn)放u擔(dān)任比較放大的作用，根據(jù)其虛短和虛斷特性有:

vn＝vp＝vsdx

則輸出電流幅值idx為：

idx＝(uag-vsdx)/rsd

看出輸出電流的幅值由基準(zhǔn)電壓vsdx和基準(zhǔn)電阻rsd決定，而與負(fù)載變化無(wú)關(guān)。所以當(dāng)固定模擬參考地電壓和基準(zhǔn)電阻一定時(shí)，輸出電流幅值僅與基準(zhǔn)電壓呈線性關(guān)系變化。在本實(shí)施例中，4個(gè)固定幅值輸出恒流模塊均輸入幅值相同的參考電壓vref，將一個(gè)同比例放大電路作為幅值調(diào)節(jié)電路204，為每一路主壓控恒流源提供所需幅值的基準(zhǔn)電壓vsdx(x＝1、2、3、4)，從而輸出電流幅值分別為2a、4a、2a、1a的脈沖電流。

電路中不同位置的電容c1、c2和c3對(duì)輸出脈沖波形有不同調(diào)節(jié)作用。濾波電容c1可以起到平滑輸入脈沖電壓的作用，積分環(huán)節(jié)電容c2可以保證輸出脈沖波形無(wú)震蕩、無(wú)過(guò)沖，波形平滑。電容c3可以提高電路響應(yīng)速度，提升輸出脈沖信號(hào)上升沿。在對(duì)硬件電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)需仔細(xì)調(diào)節(jié)三個(gè)電容容值，使得輸出脈沖電流波形平滑，上升沿陡峭。

此外運(yùn)放作為壓控恒流源電路的重要組成部分，不僅起到調(diào)節(jié)電流恒定輸出的作用同時(shí)也作為場(chǎng)效應(yīng)管柵極驅(qū)動(dòng)源控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止從而輸出脈寬可調(diào)的脈沖電流。所以場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通速度決定著輸出脈沖電流的上升時(shí)間。若壓控恒流源電路為場(chǎng)效應(yīng)管柵極提供上升沿較緩的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓則會(huì)直接影響場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通速度從而增加輸出脈沖電流的上升時(shí)間。在運(yùn)算放大器的各項(xiàng)參數(shù)中轉(zhuǎn)換速率sr就是就是用來(lái)描述在大幅值信號(hào)輸入時(shí)運(yùn)放輸出端電壓在單位時(shí)間內(nèi)變化量的最大值，是衡量運(yùn)放工作速度的參數(shù)，可由下式表示。

通過(guò)公式可以看出sr越大，表示運(yùn)放對(duì)高速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力越好。在本設(shè)計(jì)中為使運(yùn)放在脈沖基準(zhǔn)電壓的控制下輸出上升沿陡峭的場(chǎng)效應(yīng)管柵極控制電壓則應(yīng)選擇轉(zhuǎn)換速率較高的運(yùn)放，通過(guò)對(duì)采用不同型號(hào)運(yùn)放的輸出進(jìn)行對(duì)比，在本實(shí)施例中最終選擇使用adi公司的高速運(yùn)放op37，其轉(zhuǎn)換速率sr＝17v/μs，開(kāi)環(huán)增益aod＝1.8×10⁶，滿足脈沖電流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2)、正負(fù)補(bǔ)償部分

根據(jù)如圖5電路原理示意圖可以看出在固定幅值輸出恒流模塊2工作期間正補(bǔ)償電壓v+一直輸入主壓控恒流源201的同相端，而負(fù)補(bǔ)償電壓v-和參考電壓vref則受負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)和高位選通控制信號(hào)kx控制，按照一定時(shí)序輸入主壓控恒流源201同相輸入端。為使場(chǎng)效應(yīng)管在高位選通控制信號(hào)kx來(lái)臨前微導(dǎo)通，向恒流模塊選通控制開(kāi)關(guān)3提供如圖6(a)(b)所示的負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)和高位選通控制信號(hào)kx：負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)在高位選通控制信號(hào)kx變?yōu)楦唠娖街?，提前變?yōu)楦唠娖?，在高位選通控制信號(hào)kx變?yōu)榈碗娖街?，再變?yōu)榈碗娖?。而同相比例放大電路輸入端電壓vp如圖6(c)所示。

圖6(c)中，v+'＝(v+)·au，v-'＝[(v-)+v+]·au，vsdx＝[vref+(v-)+v+]·au，其中au是同相比例放大電路的放大倍數(shù)，v-'和vsdx分別是在負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)單獨(dú)作用期間以及負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)和各脈沖電流產(chǎn)生模塊的選通信號(hào)kx同時(shí)作用期間通過(guò)電壓疊加產(chǎn)生的。

由于主壓控恒流源201輸出端有穩(wěn)壓二極管dz的存在，所以在僅有正補(bǔ)償電壓輸入時(shí)，將為場(chǎng)效應(yīng)管柵極提供最高為0.7v的正電壓，場(chǎng)效應(yīng)管保持截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)控制負(fù)補(bǔ)償電壓v-輸入主壓控恒流源中放大器同相端同相端后，脈沖電流源將輸出脈寬與負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)相同，幅值為i-＝v-'/rsd的脈沖電流，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處于微導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)脈沖電壓控制信號(hào)控制基準(zhǔn)電壓輸入主壓控恒流源201同相輸入端時(shí)，脈沖電流源將輸出脈寬與脈寬控制信號(hào)相同，幅值為i-＝vsd'/rsd的脈沖電壓。主壓控恒流源同相輸入端電壓up、輸出端電壓ug和輸出脈沖電流id的關(guān)系如圖7所示。

負(fù)補(bǔ)償電壓的提供使得場(chǎng)效應(yīng)管可以提前導(dǎo)通，縮短了輸出脈沖電流的上升時(shí)間，但同時(shí)也給脈沖電流源輸出帶來(lái)了幅值為v-'/rsd的電流偏移量。為了消除在負(fù)補(bǔ)償期間輸出的偏移電流對(duì)最終輸出脈沖電流幅值精度的影響。在脈沖電流輸出端并聯(lián)一個(gè)同樣受負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)控制且可輸出幅值與電流偏移量大小相同的恒流源，則可消除此電流偏移量抵消。

在本實(shí)施中，設(shè)計(jì)的小電流吸收電路的本質(zhì)就是可控脈沖恒流源，其電路原理圖如圖8所示。

根據(jù)電路原理圖可知，小電流吸收電路由三只三極管q1、q2和q3組成，其中q1和q3是npn型管子，q2是pnp型管子。電路輸入的負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)為低電平時(shí)，q1、q2、q3均處在截止?fàn)顟B(tài)，電路無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)為高電平時(shí)q1發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，管子導(dǎo)通，電阻r2接地。r2和r3對(duì)vcc分壓向q2提供基極電壓，從而使q2導(dǎo)通。q2的集電極電流又為q3提供了基極電流從而使q3導(dǎo)通，由于穩(wěn)壓二極管dz的存在使得q3基極電壓穩(wěn)定在值當(dāng)三極管放大倍數(shù)β＞＞2時(shí)，q3輸出的集電極電壓可根據(jù)下式計(jì)算得到。

由上式可知，小電流吸收電路輸出的脈沖電流幅值由穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓和調(diào)整電阻rt決定。當(dāng)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值確定后，輸出電流幅值僅由rt阻值線性決定。

根據(jù)以上分析，小電流吸收電路僅在負(fù)補(bǔ)償控制信號(hào)作用期間產(chǎn)生恒定電流，并分流主壓控恒流源201輸出，當(dāng)調(diào)節(jié)電阻rt阻值使電路輸出脈沖電流幅值與負(fù)補(bǔ)償電壓引起電流偏移量幅值相同時(shí)，可完全消除由于負(fù)補(bǔ)償電壓引入為主脈沖恒流源帶來(lái)的輸出偏移量。小電流吸收前后系統(tǒng)輸出情況如圖9所示：

2.3、疊加微分補(bǔ)償電路

選擇轉(zhuǎn)換速率高的運(yùn)放和提供場(chǎng)效應(yīng)管負(fù)補(bǔ)償電壓均是從提升場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)速度的角度提出縮短脈沖電流上升時(shí)間的方案，而疊加微分補(bǔ)償電路202則是從對(duì)輸出脈沖電流波形的直接補(bǔ)償?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，通過(guò)將微分補(bǔ)償電路輸出尖脈沖電流與并聯(lián)壓控恒流源電路輸出的脈沖電流相并聯(lián)后輸出，起到補(bǔ)償原本不太陡峭的脈沖電流上升沿的作用，微分補(bǔ)償電路原理圖如圖10所示。

其中微分補(bǔ)償電路由電容c和電阻r組成。微分電路的時(shí)間常數(shù)τ＝r×c，當(dāng)τ遠(yuǎn)小于輸入方波的寬度時(shí)，輸出usdx'與輸入usdx近似滿足下式所示函數(shù)關(guān)系。

在實(shí)際微分補(bǔ)償電路的使用中，輸出的微分尖脈沖幅值不會(huì)達(dá)到無(wú)窮大，而是受輸入信號(hào)幅值限制的有限值。在本實(shí)施例中，為使微分補(bǔ)償電路輸出與并聯(lián)壓控恒流源電路輸出同步，將脈沖方波的基準(zhǔn)電壓usdx作為微分電路的輸入，則輸出微分電壓usdx'的是如圖11所示受輸入電壓幅值限制的一正一負(fù)兩個(gè)尖脈沖。

由于微分電路對(duì)高頻噪聲十分敏感，抗干擾能力較差，電阻r1的引入可以在微分電容和后級(jí)運(yùn)放之間起到一定的隔離作用。同時(shí)后級(jí)放大也選擇了具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的同相比例放大電路，有助于提高系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。此外電路中二極管d可將正向尖脈沖濾除，只保留負(fù)向尖脈沖作為壓控恒流源電路的輸入，控制其產(chǎn)生尖脈沖電流信號(hào)。

經(jīng)過(guò)微分電路輸出的微分控制信號(hào)usdx'、壓控恒流源電路輸入信號(hào)uinx和壓控恒流源電路輸出的尖峰脈沖電流idx'如圖12所示。

由脈沖電流產(chǎn)生電路整體結(jié)構(gòu)可知微分補(bǔ)償電路輸出的尖脈沖電流idx'將與壓控恒流源電路輸出的方波脈沖電流idx相疊加作為系統(tǒng)最終輸出的脈沖電流ix。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本實(shí)施例中，列出了5ω負(fù)載電阻下，采用組合法輸出脈沖電流幅值分別為2.50a，5.00a，9.00a時(shí)負(fù)載兩端脈沖電壓波形及上升沿情況，分別如圖13、14、15所示。

如圖13所示，脈沖電流值/a為2.50a時(shí)，圖13(a)為負(fù)載電阻處完整脈沖電壓波形，圖13(b)為負(fù)載電阻處脈沖電壓上升沿，其靜態(tài)指標(biāo)為tr＝8.8us和動(dòng)態(tài)指標(biāo)mp＝3.8％。

如圖14所示，脈沖電流值/a為5.00a時(shí)，圖14(a)為負(fù)載電阻處完整脈沖電壓波形，圖14(b)為負(fù)載電阻處脈沖電壓上升沿，其靜態(tài)指標(biāo)為tr＝8us和動(dòng)態(tài)指標(biāo)mp＝4％。

如圖15所示，脈沖電流值/a為9.00a時(shí)，圖15(a)為負(fù)載電阻處完整脈沖電壓波形，圖15(b)為負(fù)載電阻處脈沖電壓上升沿，其靜態(tài)指標(biāo)為tr＝8us和動(dòng)態(tài)指標(biāo)mp＝4.4％。

從圖13、14、15，我們可以看出，輸出的脈沖電流上升沿得到補(bǔ)償，縮短脈沖電流上升時(shí)間，改善了輸出波形的質(zhì)量。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。