電流源設(shè)計(jì)小Tips(一):如何選擇合適的運(yùn)放(2)

gm是個(gè)問(wèn)題，雖然可以查到直流gm，大致為7@Id=8A/VDS=50V，但實(shí)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(guān)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(shí)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(gè)參數(shù)很難得到，因?yàn)榇蠖鄶?shù)功率MOSFET都是用在開(kāi)關(guān)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(dǎo)通時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出OP07的可操作范圍，因此忽略，認(rèn)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?yàn)間m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(bǔ)償復(fù)雜度增加。

分析Aopen之一：運(yùn)放的主極點(diǎn)

運(yùn)放是多零極點(diǎn)系統(tǒng)，但一般都具有2個(gè)主極點(diǎn)，低頻主極點(diǎn)，靠近DC，高頻主極點(diǎn)，靠近GBW。圖為OP07的開(kāi)環(huán)增益頻響曲線。

圖21

2個(gè)主極點(diǎn)中，高頻主極點(diǎn)通常不受重視，因?yàn)榇蠖鄶?shù)運(yùn)放的高頻主極點(diǎn)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(yùn)放時(shí)很少遇到增益小于1的情況。因此很多運(yùn)放datasheet中高頻主極點(diǎn)都不標(biāo)出。

考慮運(yùn)放與10倍理想增益級(jí)級(jí)聯(lián)(有時(shí)是必須的)，這個(gè)高頻主極點(diǎn)就會(huì)浮出水面，如果閉環(huán)增益為1，便會(huì)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(guò)合理簡(jiǎn)化，輸入的Cgs接地。

應(yīng)該感謝輸入輸出功率隔離的設(shè)計(jì)方法，不知是誰(shuí)先造出了電子管，否則這部分分析會(huì)相當(dāng)復(fù)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(gè)極點(diǎn)po。低頻增益為0dB，產(chǎn)生轉(zhuǎn)折頻率的極點(diǎn)po位于約800kHz。正好落在OP07 0dB以上的頻帶范圍內(nèi)，因此推測(cè)與振蕩有關(guān)。

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(yīng)為平行于0dB線的直線。

電流源輸出電流很小時(shí)，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(shí)，gm=2s，Rsample=3 Ohm，gmRsample=6，移至0dB線以上。

圖25

兩部分級(jí)聯(lián)后，增益相乘，波特圖上增益相加，如下圖：

圖26

此時(shí)如果gmRsample》1，極點(diǎn)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(yùn)放自身Aopen在此頻率附近有-20dB/DEC的斜率，則po之后斜率將達(dá)到-40dB/DEC，可能產(chǎn)生振蕩。

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

分析Aopen之三：為何振蕩

將運(yùn)放、MOSFET和Rsample構(gòu)成的傳遞函數(shù)級(jí)聯(lián)，得到下圖的完整開(kāi)環(huán)增益Aopen：

圖27

Aopen具有3個(gè)主極點(diǎn)，分別為：

1. 運(yùn)放低頻主極點(diǎn)pL

2. MOSFET輸入電容造成的極點(diǎn)po

3. 運(yùn)放高頻主極點(diǎn)pH

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

gmRsample》1時(shí)，po在0dB線之上，系統(tǒng)振蕩。

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

此問(wèn)題的原因說(shuō)來(lái)簡(jiǎn)單：

gm與電流Id息息相關(guān)，gm隨Id的增大而增大，因此gmRsample

可能由《1變化至》1，使極點(diǎn)po位于0dB線之上，1/F=0dB線與

Aopen的交點(diǎn)處斜率差為40dB/DEC，因此系統(tǒng)振蕩。

當(dāng)然，可通過(guò)降低Rsample避免振蕩，然而這不是治本的方法，而且會(huì)引起成本、噪聲等一系列問(wèn)題。

處理振蕩時(shí)的一個(gè)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(bǔ)償是雙刃劍，可能造成系統(tǒng)性能下降，過(guò)分的單一補(bǔ)償會(huì)造成大量問(wèn)題。因此應(yīng)盡量使用多種補(bǔ)償方法，而且每種補(bǔ)償適可而止。

本次將采用三種補(bǔ)償方法，分別解決三種問(wèn)題：

1. 加速補(bǔ)償

2. 噪聲增益補(bǔ)償

3. 高頻積分補(bǔ)償

由于篇幅的原因，第一部分就先說(shuō)到這里，接下來(lái)我會(huì)談到加速補(bǔ)償，校正Aopen的問(wèn)題，敬請(qǐng)留意。