電流源設(shè)計(jì)小Tips（二）：如何解決運(yùn)放振蕩問題(2)

看似只有一個(gè)輸入端Vin，但有前提條件——理想電源。

此電路共有5個(gè)輸入端，Vin、Vcc、Vee、Vp和GND。

1. Vin為設(shè)定輸入端，自然希望所有系統(tǒng)輸出都只與其相關(guān)。

2. Vcc和Vee為運(yùn)放電源。通常運(yùn)放只需要5mA以內(nèi)的偏流，因此只需濾波電容大于100uF既可限制紋波在可容忍的范圍內(nèi)，況且Vcc和Vee一般會(huì)有78xx穩(wěn)壓，78xx的紋波抑制能力不低于100倍即40dB，運(yùn)放本身的電源抑制比至少80dB，因此Vcc和Vee的小幅變化對(duì)系統(tǒng)的影響基本可以忽略，即Vcc和Vee可視為理想電源。

3. GND也是輸入端?不錯(cuò)，除非銅的電阻率為0，否則地阻抗會(huì)起作用。如果PCB嚴(yán)格一點(diǎn)接地，由于地阻抗造成的問題基本不用考慮。否則，PCB設(shè)計(jì)不合格。

還剩下一個(gè)Vp，雖然Vp也可由78xx得到，穩(wěn)壓前還可用大電容濾波，但MOSFET是沒有電源抑制能力的，因此Vp的波動(dòng)會(huì)通過影響輸出電流(一定頻率下，系統(tǒng)調(diào)整能力是有限的)直接作用在Rsample上，并反應(yīng)在運(yùn)放輸入端Vin-。

100mA的電源的紋波問題是容易處理的，如果電流達(dá)到A_級(jí)別以上，很少有便宜的穩(wěn)壓IC可以處理，雖然LT108x能達(dá)到5A，但是在Vdrop不大的情況下，如果Vdrop=3V，一般的小散熱器就會(huì)力不從心，5A只是瞬間電流儲(chǔ)備能力，不推薦連續(xù)使用。因此A_級(jí)別以上的電源大多直接整流濾波得到，紋波不可小視。雖然理論上2000uF/A的濾波電容已足夠抑制紋波，但那是在變壓器內(nèi)阻極低的前提下。更大電流的電源很多由可控硅調(diào)壓得到，那個(gè)紋波就更厲害，即使濾波電容很大，紋波仍可由示波器清晰看到。

如果Vp由開關(guān)電源提供，開關(guān)電源工作頻率附近的噪聲將作為輸入信號(hào)進(jìn)入電路。

如果紋波頻率很低，例如100Hz，系統(tǒng)在此頻率完全可以應(yīng)對(duì)，但Vp引入的信號(hào)(紋波和噪聲)通常不是正弦波，而是非對(duì)稱三角波，上升沿和下降沿分別為電容充電和放電曲線的一部分，富含諧波，而且諧波頻率很高，但幅度逐次衰減。開關(guān)電源更是如此，由于其工作頻率很高，紋波基波幅度已經(jīng)很大，因此可能造成更顯著的問題。

紋波或其某個(gè)諧波通過Vp進(jìn)入電路后，如果系統(tǒng)在此頻率上調(diào)整能力有限，將造成輸出電流波動(dòng)(系統(tǒng)無法以足夠的速率相應(yīng)反向調(diào)整)，并反應(yīng)在Rsample上，進(jìn)入Vin-。運(yùn)放隨即調(diào)整輸出端，但能力有限，輸出端尚未調(diào)整好，紋波的幅度和相位就可能發(fā)生變化，再次通過Rsample反饋到Vin-就可能出現(xiàn)相位裕量不足的情況，從而誘發(fā)振蕩。

由電路理論出發(fā)，如果系統(tǒng)在某個(gè)頻率上控制能力(帶寬)不足，則無法抑制此頻率上的電源波動(dòng)影響。因此要么提高系統(tǒng)帶寬，要么改善電源質(zhì)量。

然而，對(duì)于恒流電子負(fù)載而言，原則上要面對(duì)各種電壓源Vp，而且大多數(shù)是作為中間產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)源，性能參差，紋波水平各異。改善電源質(zhì)量基本是句空話。提高系統(tǒng)帶寬對(duì)于穩(wěn)恒用途又實(shí)在意義不大，而且造成成本陡增。

還有一種消極但便宜而且適應(yīng)性強(qiáng)的處理辦法，使運(yùn)放無法看到高頻率的紋波，即積分補(bǔ)償。

在運(yùn)放Vin-和輸出端之間添加Rm、Cm串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使Rsample上的電壓進(jìn)入Vin-之前由RF、Rm和Cm進(jìn)行積分濾波，使輸出電流中高次諧波成分無法(或大部分無法)進(jìn)入運(yùn)放。對(duì)于電子負(fù)載，積分補(bǔ)償更為重要。

由于RF、Rm和Cm構(gòu)成積分器，因而稱為積分補(bǔ)償。積分補(bǔ)償?shù)?dB頻率fi0dB由RF和Cm決定fi0dB=1/2piRFCm。

大于0dB頻率的紋波成分受到衰減，直至達(dá)到Rm和Cm確定的回轉(zhuǎn)(零點(diǎn))頻率fiz=1/2piRmCm?；剞D(zhuǎn)的作用在于不過分降低系統(tǒng)對(duì)高頻的反應(yīng)能力。

0dB頻率至少應(yīng)低于誘發(fā)振蕩的紋波頻率10倍，已達(dá)有效衰減。

很多電路不使用Rm，即沒有回轉(zhuǎn)頻率。那一定有Cm很小(100pF左右)的前提，否則如果Cm很大，積分頻響曲線在高頻段衰減過于嚴(yán)重，將造成系統(tǒng)高頻控制力下降。對(duì)于Vp性能不太好的情況，Cm可能取值很大，因此Rm是必要的。

顯然，積分器0dB頻率越低，系統(tǒng)越穩(wěn)定，但也會(huì)由于Rm、Cm和Rc、Cc構(gòu)成的局部反饋使系統(tǒng)瞬態(tài)性能降低，因此適可而止。

積分補(bǔ)償沒有固定的經(jīng)驗(yàn)值，如果Vp質(zhì)量較好，Cm甚至可以降至22pF，反之，如果Vp質(zhì)量很差(例如電子負(fù)載通常見到的情況)，Cm可增大至1uF。

此外Cm的選擇還與運(yùn)放GBW有關(guān)，GBW越高(當(dāng)然要有頻率足夠高的MOSFET配合)，系統(tǒng)對(duì)于高頻的控制能力越強(qiáng)，Cm可越小。

Rm決定回轉(zhuǎn)頻率，通?；剞D(zhuǎn)頻率高于0dB頻率10倍以上，因此Rm大致為1/10RF=100 Ohm。

因此，如果可能，一定首先改善Vp質(zhì)量。

好在本次只做100mA的電流源，一個(gè)7824或LM317就搞定了。在此情況下Cm=1000pF足矣。fi0dB=160kHz，fiz=1.6MHz，160kHz頻率以上由Vp造成的電流紋波/噪聲可由輸出減振器網(wǎng)絡(luò)消除。

本次增加成本：

100 Ohm電阻 1只 單價(jià)0.01元，合計(jì)0.01元

1000pF/50V電容 1只 單價(jià)0.03元，合計(jì)0.03元

合計(jì)0.04元

合計(jì)成本：9.55元[!--empirenews.page--]

題外話：

Rm、Cm、Rc和Cc構(gòu)成的局部反饋問題至今懸而未決，用拉普拉斯變換，無論如何計(jì)算，運(yùn)放開環(huán)直流增益都會(huì)下降至(Cs+Cm)/Cm，但實(shí)際上直流時(shí)電容是開路，運(yùn)放開環(huán)直流增益不受影響。

也許是拉普拉斯變換對(duì)直流力不從心，細(xì)細(xì)想來，倒是一個(gè)簡(jiǎn)單的問題，1/0不是無窮大，而是沒有意義。

考慮以下的電路，Vin為直流電壓，Vout是多少呢?如果用容抗計(jì)算Vout=1/2Vin，但實(shí)際上Vout=任意值。因?yàn)橹绷飨码娙輿]有容抗概念。

避免輕微的超調(diào)過沖和常規(guī)電壓接口

由于噪聲增益補(bǔ)償?shù)膯栴}，電流源在階躍激勵(lì)下會(huì)有輕微的超調(diào)過沖，稍嚴(yán)重一點(diǎn)兒在示波器上能看到逐漸衰減的超調(diào)振蕩。

雖然不嚴(yán)重，但追求完美即完善細(xì)節(jié)，盡量做得比對(duì)手好一點(diǎn)。

如果電流源看不到陡峭的上升沿，也就不存在這個(gè)問題了。

蒙蔽它。只需一個(gè)低通濾波器。

恰好正需要一個(gè)常規(guī)電壓接口，0—0.3V估計(jì)不是標(biāo)準(zhǔn)的電壓，標(biāo)準(zhǔn)電壓一般都是2.5V/5V(DAC、基準(zhǔn))或7V(更好的基準(zhǔn))。

電阻分壓降壓即可，以2.5V為例。

(2.5/0.3)-1=7.33，如果對(duì)地電阻R4為3.3k Ohm，水平電阻為24.2k Ohm，其中設(shè)置微調(diào)R2=5k Ohm + R3=500 Ohm電位器，固定電阻R1取值22k Ohm。

對(duì)地電阻并電容C1，獲得低通濾波器，轉(zhuǎn)折頻率f=1/2piC1(R4//(R1+R2+R3))《zc=1kHz，C1》0.054uF，實(shí)際取0.1uF。

R1和R4影響電流源的溫度性能，因此必須使用低溫漂電阻。

此時(shí)Iin的影響就應(yīng)降至最低。

本次增加成本：

22k Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 1只 單價(jià)0.50元，合計(jì)0.50元。

3.3k Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 1只 單價(jià)0.50元，合計(jì)0.50元。

5k Bouns 10圈精密微調(diào)3296電位器 1只 單價(jià)2.00元，合計(jì)2.00元

500 Ohm Bouns 10圈精密微調(diào)3296電位器 1只 單價(jià)2.00元，合計(jì)2.00元

0.1uF/50V電容 1只 單價(jià)0.03元，合計(jì)0.03元

合計(jì)5.03元

合計(jì)成本14.58元