电流传感器（精选9篇）
自从1973年，AJRogers首先提出光学电流传感的想法以来，光纤传感技术已发展了20多年。与普通电磁互感器相比，在高强电流测量应用中光纤电流传感器具有以下优点：光纤电流传感器没有磁饱和现象，也不像通常的电磁互感器的动态工作范围受磁饱和效应的限制;光纤电流传感器抵抗高电磁干扰，对环境的要求低;光纤电流传感器可以在较宽的频带内，产生高线性度响应;光纤电流传感器体积比较小，安装使用比较方便等。
总之，光纤电流传感器具有许多优点，尤其是它的绝缘性能好，体积小，成本低，并且频带宽，响应时间短，可同时用于测量直流、交流及脉冲大电流，因此可望成为高压下测量大电流的理想传感器。
1、传感器原理及光路设计
光纤电流传感器利用磁光材料的法拉第效应，在光学各向同性的透明介质中，外加磁场H可以使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转，偏转角度通过检偏器可确定。其原理如图1所示，B为两偏振器夹角，θ为平面光通过磁光晶体后发生的偏转角。
其旋转角θ与光传播的磁光材料上的磁场中强度H和磁光材料的长度L成正比：当H一定时，旋转的角度θ为：
θ=vHL(1)
式中：v为verdet常数;H为磁场强度;L为磁光玻璃长度。通电长直导线磁场公式：
H=I/2πr(2)
再由式(4)可得：当P=P0时，Imax=2πrB/vL，只要角B越大，所能测的最大电流值也越大，所以在实验中常用增大角B的办法来增大其测量范围。但在实际中，角B的增大到一定值后会使光路的调焦变得更困难，并使小信号更难测量，在以往实验中一般取B=45°或相差不大的值。在该实验中选用2mw的激光器作调整光源，在第一次调焦时把磁光晶体的出射光投到1m外的地方以便消除可能出现的双折射，并用光学胶密封各接合面，使光路调整更容易操作，因此角B选择了80°。上式中，夹角B在传感器完工后是定值，因此只要测得P，P0值就可得到电流值。
在光路设计中，采用图2所示结构。暗灰色的箭头线表示光线在传感器中的传输路径：光源发出的光经带自聚焦透镜的光纤进入传感器，通过蒸镀反射膜的直角棱镜的反射改变为线偏振光进入磁光晶体，偏振面受磁场调制的线偏振光经过检偏器和对应的直角棱镜后通过另一带自聚焦透镜的光纤进入光电探测器，
2、系统结构
由式(4)可知，获得P0，P即可得到被测电流值I。系统构框图如图3(略)所示。
其中，激光器采用恒流驱动，提供32mA恒定电流。通过出光功率自动控制电路，实现光功率反馈，将探测到的光电信号与激光器的驱动电流比较，以达到及时调整激光器工作光功率抖动的目的。
光检测及放大部分电路实现了光/电转换，并且对电信号放、滤波，以及分离直流信号和交流信号。原理框图如图4所示。
信号采集处理部分实现对直流信号和交流信号分别采集，进行处理。记录下未通电流时的直流信号U0，作为基准值，U分别为带有电流直流、交流信息的检测值，经过运算分别出被测电流I的直流分量和交流分量。
3、实验结果及分析
在实验的传感头内孔径D1=2cm，外环直径D2=5cm，底座(即图2中的plinth)厚度h=1.1cm;准直器是用能通过635 nm红光的光纤和聚焦透镜制成;磁光晶体厚度d=2 cm;verdet常数v=-1.17×10-3rad/A;光源输出功率为1 mW;实验中分别用连续电流和脉冲电流对其进行检测。实验时把器件一端接在光源输出端，另一个接在输入端，并把通电导线从缺口横穿过去就可开始测试。
3.1用连续交流电测实验
在用连续交流电测实验中通过渎取光纤电流传感器输出的电压与用标准器件测得的电流进行比较，并把所得的电压值等效为光纤电流传感器的电流值。在实验中标准器件使用的是电流互感器。表1是在某测试机构中测得的数据。 将表1中的电流值作为横坐标，电压值作为纵坐标绘制成曲线，如图5所示。可以看出，电压与电流是近似成正比的。
从图5的数据可看到在100～3000A范围内，系统具有良好的线性度。
3.2用脉冲电流测实验
由于一般测试机构中很少测试上万安的交流电，图6和图7是在某测试院中用脉冲电流实验时在示波器上显示的波形图，上面曲线是通过光纤电流传感器得到的波形，图中曲线是通过电流互感器得到的波形。
图6是用B=45°、峰值为32kA的脉冲电流实验得到的图像。从图中可看出光纤电流传感器在10kA左右的波形突然向下凹陷。经检验是所测电流超过其最大测量范围所致，即出现饱和失真。
图7是B=80°、峰值为32kA的脉冲电流实验得到的图像。在图中，用光纤电流传感器测得的电流波形曲线没有失真，并且与用电流互感器测得的波形线较好的吻合，说明32kA的电流在其动态范围之中，并且响应时间小于10μs。
在清洁能源领域,太阳能光伏发电有着广范的应用,每串太阳能电池板所发出的直流电流经过汇流箱形成总电流后,输出给电源逆变器转变成交流,进行并网发电。在智能型汇流箱中,还采用了单片机和电流传感器对每串太阳能电池板所发出的直流电流和电压进行测量,以便监测太阳能光伏电站的发电状况以及方便电池板故障时的诊断维修。目前,国内大多数厂家在智能型汇流箱中都采用霍尔电流传感器,但由于霍尔电流传感器本身的低温线性特性不太理想(霍尔效应材料本身决定的),只能满足0～55℃时测量线性精度在0.5%以内的要求,而在0。℃以下不能满足该精度要求,且偏差较大,因此采用霍尔电流传感器的智能型汇流箱一般用于对0℃以下低温测量精度要求不太严格的场合。利用巨磁阻效应制做的巨磁电阻电流传感器,具有灵敏度高、响应快、功耗低、在温度大范围变化时稳定性较高的特点,可以较好地解决光伏电流测量在低温下的精度要求问题。
1 巨磁电阻电流传感器的工作原理
巨磁电阻电流传感器是将4个巨磁电阻(以下简称GMR)构成惠斯登电桥结构,该结构可减少外界环境对传感器输出稳定性的影响,并增加了传感器的灵敏度,如图1所示。
图1中,R1和R2为GMR,它们对外界通过的同一磁有相反方向的阻值变化,在没有磁场影响时R1=R2,电桥输出为零。在实际应用中,一般将GMR传感器封装成插件或贴片形式的芯片,再加上运放、电阻、电容等少量外围电路和一个用于聚拢磁场的磁环材料就可以构成一个GMR电流传感器。众所周知,电流流过导体时会在导体周围产生磁场,该磁场通过磁环聚拢后作用在GMR传感器芯片上产生电压输出,经运放放大后得到反映电流变化的电压输出。GMR传感器芯片和GMR电流传感器实物如图2所示。
利用巨磁阻效应研发的GMR电流传感器具有体积小、灵敏度高、线性好、线性范围宽、响应频率高、使用温度特性好、可靠性高、成本低等特点,是各种传统传感器的换代产品。GMR传感器芯片在国际上的实际应用才刚刚开始。
2 GMR电流传感器的应用
目前,国内大多数生产光伏发电智能型汇流箱的厂家还是选用霍尔电流传感器来测量电流量。但从实际的使用情况来看,采用霍尔电流传感器有以下不足:(1)线性工作的温度范围不够宽,不能保证0～55℃之外的线性精度;(2)传感器成品需灌胶封装,生产工序复杂,成品率低;(3)所采用的磁环需绕线,线扎数不好控制,工艺相对复杂,零漂难调整等。后2个不足使霍尔元件生产工艺相对复杂,增加了生产成本。这3个不足基本上是国内霍尔电流传感器厂家都存在的问题。目前生产光伏发电智能型汇流箱的厂家多选用浙江霍丰科技有限公司生产的BJHCS-LSP-25型闭环磁平衡霍尔电流传感器制作电流测量元件。
本文针对有低温线性精度要求的客户,选用了巨磁实业(上海)有限公司提供的JCB-25A型GMR电流传感器,它与BJHCSLSP-25型霍尔电流传感器外形尺寸和管脚定义相同,工作电压与输出电压范围也一致,可不用更改电路板而直接代换。
JCB-25A型GMR电流传感器的封装不需要灌胶工序,所用磁环也不需绕线,它的最大优点是在大的温度范围内,线性精度都能满足客户要求。智能型汇流箱中装有汇流监测单元,每个汇流监测单元的电路板上安装有8～16个JCB-25A型GMR电流传感器,实现8～16路电流的测量;同时,该单元还可测量2路开关量、1路温度量和1路太阳能板电池电压,并配有1路RS-485通信口,将所测量实时上传给后台电脑进行显示分析和保存。测试中,选用了5个JCB-25A型GMR电流传感器样品安装在智能型汇流箱的汇流监测单元上,进行了-40～+85℃的工作温度实测,试验设备为高低温箱,实测计算结果见表1,据表1绘制的非线性偏差曲线如图3所示。
通过实测数据可知,样品D在-40℃时的线性度最大,达到全量程的0.251 213 182%,其它数据都在2%以内;5个样品的实测数据在-40～+85℃全温度范围内,其线性度均能满足0.5%FS的精度要求。
3 结束语
关键词：光伏逆变器； LEM HALL电流传感器；磁场仿真
新能源的应用越来越广泛，尤其以太阳能的利用更为突出。太阳能的应用中，如何提高太阳能到电能的转换效率成为有效利用太阳能的核心问题，如MPPT，即最大功率点跟踪。而其中关键的技术就是电量的测量问题。监测电量的核心部件是HALL传感器，如何设计出高精度、准确性以及更长使用寿命的HALL传感器，对提高光伏行业的效率有着重要的意义和作用。传统的设计方法主要依靠设计人员的各自经验进行开发设计，有很大的不确定性，产品质量难以保证。本文针对传统设计中的不足，对HALL传感器中的关键磁场因素采用先进的仿真技术进行研究分析，结合优秀的仿真软件，有效的提高了HALL传感器的多项关键设计参数，大大地提高了产品的设计质量。
1 零磁通HALL电流传感器工作原理
零磁通式HALL电流传感器的特点是：测量精度高，线性度好，响应快，频带宽等诸多优点。已被广泛的应用在各个工业领域，尤其在新能源领域，有着更深入的应用。如图1所示的工作原理，被测电流IP在磁芯中形成的磁场BP经由HALL器件检测并放大，转换成电压信号以驱动补偿功率电路产生补偿电流IS，带有IS的补偿线圈产生的磁场S与P进行补偿，直到平衡P=-S，此时有ISNS=IPNP，即IS=IP(NP/IS)。此时，原副边在HALL元件处产生的磁场大小相等，方向相反，即“零磁通”，IS信号的变动反映了被测信号的变化，实现了测量的目的。从上述过程可知HALL器件起着指示零磁通的作用，而线圈中的电流不能突变，该电流补偿过程是一个动态平衡过程[1]。
2 光伏逆变器磁场环境中传感器静磁场求解原理
图2所示光伏逆变器拓扑结构中HALL传感器测量位置。在光伏逆变器工作磁场的特殊环境中，为了便于分析测量磁场及相关求解，根据HALL电流传感器电磁路特点，做如下假设，不影响仿真分析结果。
假设1：磁平衡系统为时不变系统，状态变量对时间有d/dt=0
假设2：磁场仿真只关联B和H磁场量，电场量E和D与系统解耦。
根据假设条件，Maxwell电磁场方程组[2]可以重新列为
div()=qcurl()=-div()=0curl()=+?圯div()=0curl()=(1)
对于HALL电流传感器的磁性材料有
=vrv0-c(2)
根据方程(1)、(2)，结合Biot-Savart定律和Possion矢量方程以及边界条件可以求解磁场变量，得到的HALL传感器磁场有限元求解方程为
curl(v0[vr]curl()-c)=s(3)
其中：[vr]：磁材相对磁阻率张量
v0：真空中的磁阻率v0=1/μ0=1/(4π10-7)(m/H)
：引入的矢量势(Wb/m，例如=curl())
c：娇顽力(A/m)
s：电流元密度(A/m2)
3 电流传感器磁场仿真过程研究及应用实例
3.1 FLUX电磁场有限元分析
FLUX是法国CEDRAT公司出品的一款功能强大的场有限元分析工具，它可以进行磁场，电场，热场以及它们之间耦合场的仿真分析，被广泛应用在各种工业领域。其中的磁场仿真分析功能更是强大，它提供了一整套的仿真优化方案[3]。
FLUX 的磁场仿真过程如图3所示，软件本身具有自下向上的三维建模功能，同时也可以导入其它三维软件建立的模型。在光伏逆变器应用环境下，测量电流的HALL传感器对材料的要求比较严格，为了提高仿真程度，物理属性设置过程中需要配置多项参数以拟合B(H)变化曲线。
在光伏逆变器的测量中，HALL传感器磁路通常工作在线性区域，FLUX软件提供了SuperLU线性直接求解器来求解方程组(1)(2)，(3)，它是一款由ANSI/C语言编写的高斯消除算法程序模块，可以求解2D和3D模型。针对模型的对称和非对称性，FLUX还提供了多种适应的迭代求解器：CG，BiCG，BiCGStab和GMRES等。
为了真实的反映逆变器中测量传感器磁场的分布情况，非线性的求解常被用来验证分析。牛顿-拉普生算法广泛用在非线性的磁场求解，但其收敛性无法得到保证，FLUX使用改进的牛顿-拉普生算法可高效的进行磁场的分析计算。
3.2 100kW光伏逆变器中HALL传感器磁场仿真分析实例[3][4]
光伏100kW逆变器拓扑结构如图2，其电流测量的要求是范围宽，精度高，线性度高等。零磁通HALL电流传感器的磁路是整个光伏系统有效工作的关键，而构成磁路的核心是传感器的磁芯材料，高性能的坡莫合金能满足逆变器的电流检测要求，它的特点是磁导率较高，但BS饱和较低，当逆变器电流IP较大时磁性材料很容易达到饱和，此时，HALL传感器的输出已经不能和逆变器母线电流成线形关系，甚至严重失真，造成各项指标超差，给整个光伏设备的控制系统提供错误、失真信号，降低系统效率，甚至会造成设备的误操作。按照上述的磁分析方法可以有效避免这种情况出现，设计出满足应用要求的传感器。下面以LEM公司某系列HALL电流传感器为例进行磁路磁场分析。
LEM公司是国际知名的跨国公司，是电力电子传感器的先驱和发明者，专业从事电量传感器设计开发及生产。本实例传感器就是LEM公司广泛应用在新能源领域、测量范围为200A的HALL传感器。图4是它磁芯的3D结构图和有限元网格图，其初始设计为矩形等截面积结构，经过磁场分析，测量额定值IPN时磁芯部分已经饱和，传感器参数超标。改进后设计为近似矩形变截面积结构如图4(a)。
由于HALL传感器工艺结构要求，磁芯结构中存在通孔，形成了局部磁回路，复杂化了分析过程，影响分析结果的有效求解。因此，需要对磁芯模型进行磁路切割，如图4(b)所示，红色曲面为切割面。
根据磁芯结构特点，选择适当的无限边界体来限制求解区域，如图4(c)中的方体。它代表边界区域，尺寸大小可以根据视觉效果比例设定。网格的划分应根据研究对象有所不同。对于补偿线圈和光伏主回路电流导线或母排，FLUX在求解的时候，按照磁势源来计算而不考虑其导线内部磁场分布，这优化了计算求解过程[图4(d)]。
对该HALL传感器的有限元求解、计算结果如图5所示，从传感器磁芯体磁场分布色图[图5(a)]中，可以知道磁芯体中磁场最大为0.7<0.8T(饱和)，没有达到饱和，满足测量范围要求。同时FLUX后处理提供磁场切面分布色图，图5(b)中的X-Y，X-Z切面磁场可以分析磁体内部及周边磁场分布特点，而HALL器件气隙XYZ方向的磁场分布趋势图[图5(c)]可以看出其中磁场非常微弱，验证了HALL器件起着感应“零磁通”的作用。上述仿真分析结果完全和传感器实际试验应用情况吻合。
4 结束语
在光伏系统中，能量的利用效率最为关键的，而提高效率的核心部件HALL传感器起着重要的角色。本文提供的磁场仿真分析方法大大的提高了传感器设计的效率和质量，增
强了可靠性。尤其针对光伏逆变器的较为特殊的应用环境，设计出的高质量测量传感器的应用不仅提高了光伏电器设备的可靠性，而且对整个新能源应用领域都有着非常重要的意义。
参考文献
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作者简介
(－)教学目的
1.知道电荷的定向移动形成电流；
2.知道电流方向的规定；
3.知道什么叫电源和电源的作用。(二)教具
验电器两个，带绝缘柄的金属棒一根，橡胶棒一根，毛皮一块，带座小灯泡一个，开关一个，干电池一节，剖面干电池1个，蓄电池一个，磁性黑板一块。(三)教学过程
1.复习
提问1：用毛皮摩擦过的橡胶棒去接触验电器的金属球，金属球带什么电？金属箔片带什么电？
提问2：验电器是通过什么方法带上电的？
2.引入新课
演示本节的实验。
这个实验表明在金属棒中发生了电荷的移动。
3.进行新课。
(l)电流的概念：
电荷的定向移动形成电流。
水在水管中沿着一定的方向流动，水管中就有了水流。电荷在电路中沿着一定的方向移动，电路中就有了电流。
在刚才的实验里，金属棒中的电荷是怎样移动的？是从A到B，还是从B到A？
重做实验，继续观察验电器A、B金属箔片张角的变化。可看到B的金属箔片张开到一定角度就不再增大了，A的金属箔片的张角也不再减小。实验表明电荷不再通过金属棒往验电器B上移动了，金属棒中不再有电流了。“这种瞬间电流在实际当中没有多大用处。
(2)维持持续电流的条件
演示实验：挂上磁性黑板，把背后粘有小磁元的电池、灯座、开关依次贴在磁性黑板上。打开开关，用导线将上述元件连接好。合上开关，小灯泡持续发光；打开开关，小灯泡熄灭。将干电池取走，合上开关，小灯泡也不发光。
引导同学思考：小灯泡持续发光，表示有持续电流通过小灯泡的灯丝。你能否通过上述实验找到维持小灯泡中有持续电流的条件？
①有电池。
②合上开关。
(3)电源
能够持续提供电流的装置叫电源。大量用电器的电源，是发电厂里的发电机；发电机是将机械能转化为电能的装置。日常生活中和实验室里常用的电源，是干电池和蓄电池；干电池、蓄电池是将化学能转变成电能的装置。
干电池、蓄电池上有正极和负极，干电池的正极是碳棒，从外表看，即为带铜帽的一端；负极是锌筒（展示干电池剖面实物）。蓄电池的正、负极通常用“十”“一”号标在电池的上部。
演示实验：用蓄电池（其中一组）、小灯泡、开关、导线连接电路，合上开关，观察小灯泡发光情况。
启发：你在日常生活中都在哪些情况下使用过干电池？在哪些地方见过使用蓄电池？
(4)电流的方向
电荷有两种，电路中有电流时，发生走向移动的电荷可能是正电荷，也可能是负电荷。还有可能是正负电荷同时向相反方向发生定向移动。
规定：正电荷定向移动的方向为电流方向。
这个规定是在19世纪初，在物理学家刚刚开始研究电流时，并不清楚在不同的情况下究竟什么电荷在移动时做出的，而在后来的研究中发现，这样的规定并不影响研究电流的有关问题，并且在酸、碱、盐的溶液中就有正电荷的定向移动，因此这个规定一直沿用至今。
按照这个规定，在电源外部，电流的方向是从电源的正极流向负极。
〈思考判断〉：在课本图4�5的实验中，电流的方向是从A流向B还是从B流向A？在课本图4�6的实验中的电流方向又如何？
〈讨论与练习〉
如图1所示：已知验电器A带正电，B不带电。拿一根带绝缘柄的金属棒把A、B两个验电器连接起来。这时B带什么电？在连接的瞬间，金属棒中做定向移动的是正电荷还是负电荷？电流方向是从哪到哪？
4.小结
这节课我们学习了电流这个概念，电流是电学最重要的概念之一。我们要从电流的形成、电流方向的规定、持续电流存在的条件等几方面加深对电流的认识。
5.布置作业
1.复习本节教材并完成本节练习。
2.小实验：自制一个水果电池。
找一根5厘米长的铜片或粗铜丝，再从废干电池上剪下一条2毫米宽的锌皮，刮净，把铜片和锌皮插入苹果或番茄、柠檬等水果里，就做成了一个水果电池。取两根导线，把它们的一端分别接在水果电池的两极上，另一端和舌头断续接触，注意两根导线不要碰着。这时舌头上有什么感觉？(四)说明
在演示课本图4�6的实验中采用了磁性黑板，这样做的目的在于方便同学们对演示电路的观察。若没有磁性黑板，可用塑料泡沫板代替。在电路元件的背面钉上长螺丝，演示时插入泡沫板即可。
1.用导线将电源、用电器和开关连接起来就组成了电路。
2.只有电路闭合时，电路中才有电流。
3.电源是提供电能的装置;用电器是消耗电能的装置。
4.电流方向：正极 用电器 负极
教学过程
教学内容和环节
教师指导活动
学生主体活动
教后感
引入课题
我们生活在电的世界里，也许你会感到它很神秘。为什么收音机通上电就能放出音乐?为什么电视机通上电就能看到影像?为什么电饭锅通上电就能做熟米饭?为什么洗衣机通上电就能转动?
1 基准电流源原理分析
1.1 Widlar型基准电流源小信号建模
Widlar型基准电流源如图1所示[2],由于Q1、M4采用二极管连接的方式,故可分别用一个电阻表示;M3、M5可分别用一个电压控制电流源与电阻并联表示。由BJT小信号模型可知,Q2可用一个等效的电压控制电流源与等效电阻并联表示[3],Widlar型基准电流源小信号模型如图2所示。
由于V2的电压受自偏置结构影响,内部存在的反馈环路能够保持电压稳定,从而由图1电路可以得到一个稳定电流。图2中,g′m2为Q2和R的等效跨导,R′为Q2和R的输出电阻。由电路等效理论可知:
根据ROSENSTARK S反馈计算理论,从某点X到达某点Y的反馈闭环增益可表示如下:
式中,GA为渐近增益,GD为直接增益,T为环路增益。
对应图2,首先计算该电路的环路增益。假设受控电流源gm3V1断开,则可以得到此时的环路增益为:
令T→∞,则g′m2→∞,此时V2为零。则从VDD到V2的渐进增益为:
直接增益GD的计算条件为:令T为零,则g′m2为零。从而从VDD到V2的直接增益为:
将式(4)~(6)代入式(3),可得VDD到V2的闭环增益为:
因为M3、M4、M5构成电流镜,所以gm3=gm4=gm5,根据电路仿真经验参数假设:gm4>>R′,gm1>>1/rom3,则式(7)可简化为:
其中,由于分母是1减去环路增益,可得到该电路中存在的反馈为正反馈。理论上只有越小的环路增益才能获得更小的闭环增益,根据上述理论分析,为了获得具有高电源抑制能力的电流源且电路稳定,本设计采取更改反馈属性以增大环路增益。
1.2 高阶曲率补偿理论分析
电流源温度系数补偿电路目前应用较为广泛的是利用Widlar核心电路产生PTAT电流,BJT的BE结产生负温度系数电流,再由两者互相补偿,产生基准电流Iref[4]。电流补偿如图3所示。
BJT中BE结电流方程为:
由于BJT的BE结在高温部分温度曲线下降迅速,呈现明显的非线性,本设计中采用自补偿二极管环路补偿方式,在低温阶段IVBE与IPTAT直接补偿,效果明显;而高温阶段,由于IVBE的迅速下降,导致补偿电流曲线下降迅速,增加自补偿电流INL,利用自补偿电流的高温非线性特性进行高阶电流曲率补偿。由上述分析可知非线性补偿电流:
图3中利用设计电路的自补偿效果产生Iref。
根据设计电路结构和式(9)可得:
IVBE在高温阶段的非线性是由式(12)中第三部分引起的误差。令第三部分误差项与非线性补偿电流INL相等完成上述电流补偿。即:
2 具体电路实现
图4为基准电流源设计电路。如不加说明,则认为所有PMOS管衬底接电源电压;所有NMOS管衬底接地电压。图中,C、D部分为基准电流核心电路,C部分产生IPTAT。依据上述基准电流源原理分析,在Widlar电流源框架下通过断开Q1的二极管连接,加入运算放大器并改变反馈属性以提高反馈系数。为了降低电路的复杂度,加入单级差分运放。D部分为产生IVBE和INL实现电路,该电路设计中,Q17的BE结降压R2上,利用BJT的BE结较理想的温度特性产生IVBE。后续设计利用Q17和Q18发射结面积之差产生△VBE降压电阻R3,从而产生IVBE自动补偿高温非线性电流INL。当外界环境处于低温部分时,IVBE与C部分产生的IPATA补偿效果良好,INL效果消失;处于高温部分时,IVBE的非线性效果明显,INL则补偿非线性缺失。由于本设计核心电路为Widlar电流源,所以在电路设计过程中加入B部分启动电路,摆脱简并偏置点。A部分为偏置电路部分,为运放提供偏置电压。E部分为电流求和电路,可以通过改变M23、M26的宽长比设置两部分叠加电流大小,最终使得Iref产生最小偏差。
3 仿真与讨论
本文设计方案经由SMIC 0.35μm BICMOS工艺、Hspice验证仿真,Cscope图形查看软件综合。
图5为Widlar型基准电流源反馈环路不同增益下基准电流PSRR曲线。由图5可以看出,在反馈环电路中添加运算放大器时,PSRR为144.07 d B;未添加运算
放大器时,PSRR为134.37 d B。
图6为基准电流源温度特性曲线。温度变化范围为-30℃~100℃,基准电流平均值为15.394μA,电流变化范围为24.833 n A,基准电流温度系数为12.4 ppm/℃。
将本文设计方案与部分参考文献主要参数进行比较,结果见表1[5,6,7]。从表1可见,该基准电流源具备良好的性能指标,可应用于MEMS传感器系统的高PSRR和低温度系数环境中。
本文设计了一种新颖的可应用于MEMS传感器系统的基准电流源。通过BJT小信号模型分析得出,增大基准电流源反馈环路增益能够改善基准电流源性能。具体电路设计方法是通过在基准电流源反馈环路中增加运算放大器提高电源抑制比,负温度系数电流IVBE生成部分采用二极管环路自补偿设计方法,产生非线性补偿电流INL。经由SMIC 0.35μm BICMOS工艺仿真,电源电压为3.3 V时,基准电流电源抑制比达到144.07 d B,温度系数达到12.4 ppm/℃。
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关键词： 电流镜；电流控制；CMOS电流； 可重构模拟单元； 可编程开关网络
中图分类号：TN710文献标识码：A
文章编号：1674-2974（2016）02-0119-05
开关电流（Switched Current SI）电路由存储单元、不同工作相位控制开关以及电流镜电路构成，实现对电流信号的处理，具有较强的低功耗工作潜力，兼容标准数字CMOS工艺.理论上，SI技术有着种种优势以取代开关电容技术.然而，在现实应用中，由于CMOS电流镜的几何、跨导等失配特性使得SI电路在精度、速度和线性等方面受到限制，必须采用各种补偿电路以及更有效的电路设计方法[1].目前广泛研究与应用的SI技术都是以第二代SI（S2I）电流镜电路为基本模块的[2-6] .然而.改进后的结构其存储的精度对在存储节点注入电荷非常敏感，因此电荷注入限制了这种电路的实用性.另外，采用浮栅技术补偿失配参数的方法也有报道， 如采用低功耗class AB 栅极接地存储电路来构成CAB[7-9]，用栅极接地技术减少输入输出跨导比误差.但这样的补偿电路的实现需要双聚工艺.Chris Taillefer 提出栅源电压补偿方法[10]，只针对基本电流镜结构，对于多相位开关电流结构未作讨论.此外，当通过晶体对管的电流减小时，失配的效果会变得更加明显.如果一个电流镜的晶体管是在弱反模式下，失配可能会导致电流镜故障[11-12].因此，如果一个电流镜需要采用弱电流驱动工作，如传感器或低功耗操作，就必须在电路中采用补偿方法消除或减小失配效应.本文提出的SI电流镜电路可以有效地补偿晶体管的参数失配.该电路在几何不匹配达到20%的情况下，镜像输出电流误差小于1%，且可工作在一系列非常微弱的电流条件下.
1SI电路原理及失配
因此，SI电流镜运行的准确性高度依赖于晶体对管的匹配程度.然而，因硅材料的非均匀物理参数导致的晶体管不匹配是不可避免的，产生的电参数的变化，往往是很弱的弱相关.两个相同设计的晶体管由于物理参数的变化，如氧化层厚度和掺杂浓度，可能产生20%～30%的特征失配.
2补偿电路原理
5结束语
本文提出一种开关电流镜失配补偿方法，采用单独调节栅源电压补偿晶体对管跨导失配，从而获得一致的输入输出电流.提出了一种在极端电流情况下可以运行的电流镜电路，对于20%的失配可以获得1%的精度匹配.基于输入输出间的负反馈电路，各类变量如几何尺寸、偏移、阈值电压等产生的误差都将通过负反馈有效抑制.电路可以很容易地采用单聚CMOS工艺实现.
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（1）教学内容：
本节课为人教社《物理》八年级上册第五章第二节内容。
（2）教材分析：
八年级物理教材充分体现新课程标准的理念。新教材在八年级第一学期最后一章安排了“电流和电路”的学习，本身体现了教材不过分强调学科的逻辑特点，而注重基于学以致用的兴趣，从学生认知规律和探究出发，设计教材结构，在学习了电流和电路后，接着安排了“家庭电路”，确实是从学生生活需要出发，做到了从生活走向物理，从物理走向社会。
“电流和电路”这一节开始用一个小实验，迈入电学门槛，教材用了贴近生活的三种用电器——灯泡、小电动机、音乐门铃，让学生“想想做做”，目的在于感知、领略电学的美妙之处（一按开关灯亮了，电动机转了，门铃响了），引发学生的兴趣，尝试成功的喜悦，产生强烈的求知欲，从而引入下文——灯亮是因为有电流流过灯泡。
学习电流方向后，教材简介了二极管的单向导电以及发光二极管，这个知识点的安插，是因为它的应用在日常生活中处处可见，只求学生了解，无需详细学习。但是，给我们达成情感、态度和价值观的目标提供了素材。
再如，电池的介绍，教材用彩色照片出示了“锌银”电池、“充电”电池、“手机”电池等。此类的知识可鼓励学生在生活中观察、上网学习、调查研究、查寻资料以拓宽学生的知识面。
教学目标
知识和技能
1、初步认识电流、电路及电路图，学会按实物电路连接图画出对应的电路图。
2、知道电流的形成及其条件，知道电流方向的规定。
3、认识断路、通路、短路，知道电路的组成。
4、知道电源和用电器，能从能量转化的角度认识电源和用电器的作用。
过程和方法
在动手实验的过程中，学习观察实验现象，学习从现象中分析归纳出规律的方法。
情感、态度、价值观
通过连接电路的活动，激发学生的学习兴趣，使学生乐于动脑筋找出新的连接电路的方法。
重点：
知道电流、电路的基本概念。能认识、使用电路图。
难点：
能认识、使用电路图。
教具准备：
干电池 灯泡 导线 开关 小电动机
教学过程
情景创设 导入新课
我最棒：用小灯泡、电源、开关导线，连接电路，使小灯泡亮，看谁最快最好！
注意：任何情况都不能把电源的两端直接连在一起！！！！
思考：你在实验中有什么收获和体会？有什么疑问？
自主学习领悟新知
自学课本，你能完成下面的问题吗？
1、电流：上面实验中的灯泡会亮，是因为有电流流过它们。电流是怎样形成的？
（1）、电流：电荷的定向移动形成了电流。要出现电流，还需要：电池、发电机这样的 ；灯泡、电动机这样的 ； 的连接； 的控制。
（2）、电流的方向： 移动的方向规定为电流的方向。在电源外部，闭合电路中的电流方向是从电源 经过 流向 。
2、电路：
（1）电路的构成：xxx。
（2）电源的作用是：xxx；用电器的作用是：xxx。
你知道哪些是电源？
你还知道哪些是用电器？
什么是断路、通路、短路？
3、电路图：利用规定的 代替实物，把电路表示出来的就是电路图。
讨论：怎样画电路图美观？
合作探究、展示交流；
探究要求
利用两个小灯泡、一个开关、两节电池（带电池盒）和一些导线，怎样连接才能使灯泡发光，并能用开关控制小灯泡，比比看哪个小组连接的最快。
按照探究要求，边实验，边独立解决一下三个问题，将你的答案写在空白处，然后小组内相互交流相互补充，完善。在连接电路之前请先看老师有哪些提示。
友情提示：
⑴任何情况下都不能把电池的两端直接连在一起！
⑵在连接电路时，可以从电源的正极开始顺次连接。
⑶连接电路时，开关一定要断开，经检查无误后再闭合。
你要解答的问题：
问题1：请用笔画线代替导线把你连接的能使小灯泡发光的电路画下来。你在连接电路的过程中，是否遇到小灯泡不发光的现象呢？如果遇到，请你继续分析：在电路连接的过程中，有哪些情况可造成小灯泡不发光？
问题2：要使小灯泡持续发光，必须满足什么条件？
问题3：请根据左图给出的电路图，将右图中的实物用笔画线代替导线连接起来。
交流一：根据几位同学所画电路图，要求从正确性、美观性进行评价，评出最佳作品。
由此，请你总结出画电路图要注意哪些问题？
交流二：根据展示的几个电路，请你归纳出电路的几种状态：
反馈评价、拓展应用
1、观察手电筒的结构，画出它的电路图。
2、打开手电筒开关后，发现小灯泡并不发光，请参照示例猜想两种可能使小灯泡不发光的原因，并简单写出验证你猜想的方法。
示例：原因：可能电池用久了；验证方法：换上新电池
①原因： ；验证方法： ；
②原因： ；验证方法： ；
总结
电流还是有电流的好处嘛，当电流真好。我想，大家都不明白我为什么变成电流了吧，这还得从一个月前说起......
一个月前，我在房间里上网，可当我闭眼的时候，我发现我变了，我变成了一个小小的电流，我来到了一个离我家最近的电线里，我碰上了好多电流，害怕极了。那些电流看着我，七嘴八舌的问;“你是谁呀，新来的吧。”“对，我是新来的。我要去探险。”“探险是什么。”“是......是......嗯一时半会儿也说不清楚，反正我先走了啊，拜拜。”
过了一会儿，我来到了人类世界，我走在大街上，还是透明的，因为我很小，总是被别人的脚踩到，可我一点也不疼，反倒踩我的那个人的脚疼得不得了，还去了医院呢。
晚上到了，我回到了电线里，正和它们交流到最高潮的时候，电线从我这里劈断了，幸好我“流”得快，不然就被劈成两半了，真是太吓人了。哎，这电线怎么会被劈断呢。“哎......人类真不知道我们的生命是有限的，大量浪费我们，这次还劈断电线，使许多兄弟白白牺牲，真是可恶。”“是的`，是的，不如......不如我们离家出走，反正电线断了。” “好。”电流异口同声的说。
人类的危机来临了。
因为大量电流罢工，工厂的机器不能转了，电脑不能工作了.....人们的生活陷入了混乱。
处在那黑暗中的人类这才意识到问题的严重性 电视迷们想到了电视白白开在那儿的事情;小伙伴们想到电灯开在那里整整一夜的情景......都羞愧地低下了头。
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