電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放(2)

gm是個問題，雖然可以查到直流gm，大致為7@Id=8A/VDS=50V，但實際用在Id=100mA/VDS《20V，根據(jù)datasheet中的輸出特性曲線可以看到在飽和區(qū)gm隨Id減小而減小，與VDS關系不大，在可變電阻區(qū)，gm隨Id和VDS減小而明顯減小。gm在Id很小時大致在1-3左右。暫取2。

圖20

gm也有轉(zhuǎn)折頻率，最終產(chǎn)生fT，但這個參數(shù)很難得到，因為大多數(shù)功率MOSFET都是用在開關狀態(tài)，而且gmDC隨偏置變化很大，因此datasheet里通常不給出，但由導通時間，Ciss，Coss和Crss可大致推出gm的fT很高，除以gmDC即為轉(zhuǎn)折頻率，很高，大致在10MHz左右。已遠遠超出OP07的可操作范圍，因此忽略，認為gm是不隨頻率變化的水平直線。

也可看出為什么之前不用OP37的原因，因為gm的轉(zhuǎn)折頻率恰好在OP37的操作頻率范圍內(nèi)，從而造成頻率補償復雜度增加。

分析Aopen之一：運放的主極點

運放是多零極點系統(tǒng)，但一般都具有2個主極點，低頻主極點，靠近DC，高頻主極點，靠近GBW。圖為OP07的開環(huán)增益頻響曲線。

圖21

2個主極點中，高頻主極點通常不受重視，因為大多數(shù)運放的高頻主極點都在0dB線以下，即單位增益穩(wěn)定。反饋環(huán)路中只有1只運放時很少遇到增益小于1的情況。因此很多運放datasheet中高頻主極點都不標出。

考慮運放與10倍理想增益級級聯(lián)(有時是必須的)，這個高頻主極點就會浮出水面，如果閉環(huán)增益為1，便會產(chǎn)生振蕩。

圖22

圖23

分析Aopen之二：MOSFET和Rsample

如前所述，MOSFET分為輸入和輸出兩部分，通過合理簡化，輸入的Cgs接地。

應該感謝輸入輸出功率隔離的設計方法，不知是誰先造出了電子管，否則這部分分析會相當復雜。

1. 輸入部分

輸入部分由Ro=200 Ohm和Cgs=1000pF構(gòu)成低通濾波器，并產(chǎn)生一個極點po。低頻增益為0dB，產(chǎn)生轉(zhuǎn)折頻率的極點po位于約800kHz。正好落在OP07 0dB以上的頻帶范圍內(nèi)，因此推測與振蕩有關。

圖24

2. 輸出部分

MOSFET的電流Id=gmVgs流經(jīng)Rsample產(chǎn)生電壓gmVgsRsample，因此增益為gmRsample。由于gm的轉(zhuǎn)折頻率很高，Rsample在低頻下為理想電阻，因此gmRsample的頻率響應為平行于0dB線的直線。

電流源輸出電流很小時，gm接近于0，因此gmRsample位于0dB線以下很低的位置。輸出電流增大造成gm增大，gmRsample不斷上移，直至最大電流時，gm=2s，Rsample=3 Ohm，gmRsample=6，移至0dB線以上。

圖25

兩部分級聯(lián)后，增益相乘，波特圖上增益相加，如下圖：

圖26

此時如果gmRsample》1，極點po在0dB線之上，反之則在0dB線之下。

一旦po高于0dB線，而1/F=1(0dB)且運放自身Aopen在此頻率附近有-20dB/DEC的斜率，則po之后斜率將達到-40dB/DEC，可能產(chǎn)生振蕩。

因此推論振蕩的產(chǎn)生應與Ro、Cgs、gm和Rsample均相關。

分析Aopen之三：為何振蕩

將運放、MOSFET和Rsample構(gòu)成的傳遞函數(shù)級聯(lián)，得到下圖的完整開環(huán)增益Aopen：

圖27

Aopen具有3個主極點，分別為：

1. 運放低頻主極點pL

2. MOSFET輸入電容造成的極點po

3. 運放高頻主極點pH

gmRsample《1時，po在0dB線之下，系統(tǒng)穩(wěn)定。

gmRsample》1時，po在0dB線之上，系統(tǒng)振蕩。

gmRsample=1時，po=0dB，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。

此問題的原因說來簡單：

gm與電流Id息息相關，gm隨Id的增大而增大，因此gmRsample

可能由《1變化至》1，使極點po位于0dB線之上，1/F=0dB線與

Aopen的交點處斜率差為40dB/DEC，因此系統(tǒng)振蕩。

當然，可通過降低Rsample避免振蕩，然而這不是治本的方法，而且會引起成本、噪聲等一系列問題。

處理振蕩時的一個基本原則，盡量首先剪裁Aopen，而后才是1/F。改變1/F可能造成系統(tǒng)瞬態(tài)性能的變化。

頻率補償是雙刃劍，可能造成系統(tǒng)性能下降，過分的單一補償會造成大量問題。因此應盡量使用多種補償方法，而且每種補償適可而止。

本次將采用三種補償方法，分別解決三種問題：

1. 加速補償

2. 噪聲增益補償

3. 高頻積分補償

由于篇幅的原因，第一部分就先說到這里，接下來我會談到加速補償，校正Aopen的問題，敬請留意。