電流源設(shè)計小Tips（一）：如何選擇合適的運放(1)

對于工程師來說，電流源是個不可或缺的儀器，也有很多人想做一個合用的電流源，而應用開源套件，就只是用一整套的PCB，元件，程序等成套產(chǎn)品，參與者只需要將套件的東西焊接好，調(diào)試一下就可以了，這里面的技術(shù)含量能有多高，而我們能從中學到的技術(shù)又能有多少呢?本文只是從講述原理出發(fā)，指導大家做個人人能掌控的電流源。本文主要就是設(shè)計到模擬部分的內(nèi)容，而基本不涉及單片機，希望朋友能夠從中學到點知識。

我這次的目標是搭建一個有基本功能的20V/100mA電流源，它即可固定輸出，又可用單片機步進控制。下圖是易于實現(xiàn)數(shù)控的直流電流源。假設(shè)運放有理想輸出能力，如果輸出電流100mA，采樣電阻Rsample的大小取值有何講究呢?

圖1

如果Rsample過大，將導致：

1. 采樣功率過高，對Rsample溫度穩(wěn)定要求高，因而成本呈指數(shù)提高。

解釋：如果Rsample=1 Ohm，Vsample=1V，Psample=100mW，對于精密應用而言，電阻耗散100mW通常是難以接受的采樣功率。

2. RL上的電壓動態(tài)范圍減小，減小RL電阻上限。

但對運放和Vin調(diào)理電路的要求相應降低。

如果Rsample過小，將導致運放的種種誤差顯現(xiàn)：

1. VOS的漂移與Vin可比，造成輸出電流誤差。

解釋：Rsample=0.1 Ohm，Vsample=10mV，如果使用LM324，VOSmax=3mV，潛在直流誤差30%;VOS/dTmax=30uV/C，10C溫度變化引起潛在誤差3%。

2. 電路增益過高，運放噪聲放大，RL上電壓基本不變，造成RL上的電壓噪聲增大，導致RL上電流噪聲增大。

3. 對運放要求提高，因而成本呈線性提高。

4. 對處理Vin的調(diào)理電路要求提高，因而提高成本。

但對Rsample的要求相應降低。

關(guān)于如何選擇采樣電阻：

電流源需要采樣電流進行反饋，雖然也有其他方法采樣，但最穩(wěn)定也是最準確的方法仍然是電阻采樣。

普及知識：用于采樣的電阻功率至少大于采樣功率20倍以上，才不致由于發(fā)熱造成明顯的漂移。

繼續(xù)上次，100mA_級的電流是很常用的電流值，但對于電阻采樣而言通常也是比較尷尬的電流值。

A_級的電流通常不要求太高準確度，使用分流器采樣為主，只要功率足夠即可。

mA/10mA_級的電流相對簡單，由于不產(chǎn)生顯著的采樣功率，因此通常的精密金屬膜電阻都可滿足要求。

100mA_級的電流不大不小，用分流器沒有這么大的阻值，用精密金屬膜電阻沒有這么大功率。

圖2

解決方法：

1. 降低采樣電壓，使用小阻值

2. 降低采樣功率，同功率下，阻值盡量大

看似矛盾，其實很簡單，并聯(lián)多個精密金屬膜電阻。

實例：

100mA，采樣電阻4只12 Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻并聯(lián)，等效電阻3 Ohm，采樣電壓300mV，采樣總功率30mW，每只電阻功率7.5mW。

采用這種方法需要在PCB上多下功夫，一定牢記銅也有電阻，而且銅本身可做溫度傳感器。

通常0.1%的精度不是必要的，但溫度漂移一定要小。然而實際電阻產(chǎn)品的精度和漂移基本是對應的，買電阻時除了功率外一定著重詢問。

此外，電阻出廠前經(jīng)過老化最好，無老化的電阻通常便宜一些，但通電后幾天內(nèi)性能多少會有些變化。

本次成本：

12 Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 4只 單價0.50元，合計2.00元。

注意你的負載之一(電阻)：

如果RL是純電阻，基本可以分為以下2種情況：

1. RL《《Rsample：運放看到的增益約為1，如果運放單位增益不甚穩(wěn)定，例如LF357，電路可能振蕩。

2. 對于某些運放，如LM1875，需要20倍以上增益才可穩(wěn)定，此時要求RL》=10Rsample。

否則，如下圖所示，1/F與Aopen交點斜率差為40dB/DEC，電路將振蕩。

為保證足夠的相位裕量，通常要求兩者交點斜率差最大為20dB/DEC。

圖3

然而，源是不能挑選負載的，除非超出源的能力，例如電壓源有輸出電流限制，而電流源有輸出電壓限制。

對于第一種情況，通過運放的外部補償即可消除，由于現(xiàn)代運放都具有0dB穩(wěn)定性，因此不作為討論重點。

對于第二種情況，需要在反饋通路引入適當?shù)念l率補償，由于通常補償元件并聯(lián)在RL兩端，因此稱為輸出減振器。

對于電阻性負載，輸出減振器即電容，通過在反饋回路中引入零點z，從而達到穩(wěn)定，但將限制反饋系統(tǒng)帶寬。

圖4

補償后，如下圖所示，1/F與Aopen交點斜率差為20dB/DEC。

圖5

零點頻率自己計算，很簡單。

零點的選擇根據(jù)運放的Aopen各轉(zhuǎn)折頻率點選擇。為保證各種負載電阻下均達到穩(wěn)定，通常零點選在較低頻率，將犧牲部分頻率響應。

雖然第二種情況很少在實際中應用，例如1875做的電流源溫度漂移嚴重，但作為頻率補償?shù)姆独勺鳛楹罄m(xù)的準備知識。

本次增加成本：

50V耐壓1uF以下CBB電容 1只 單價1.00元，合計1.00元

合計成本：3.00元

注意你的負載之二(電感)

和化學、物理方法產(chǎn)生的電能不同，依賴反饋理論的電源都會有先天的恐懼癥。

與電壓源害怕遇到電容性負載類似，電流源遇到電感性負載時也須謹慎處理。

題外話：似乎所有穩(wěn)壓電源都會在輸出有電容，與上面的話沖突。其實穩(wěn)壓電源也做過補償，況且10uF量級的電容以足夠大，普通的電壓源能量無法帶動10uF在特定頻率上以很大的幅度振蕩，但并非不振只是幅度很小，很像紋波。這就是為什么壇里壇外有些diy電源會產(chǎn)生莫名其妙的“紋波”和“噪聲”的原因。

電流源的負載除了電阻和二極管以外，更多的應用就是電感，變壓器、螺線管、電磁鐵、空心線圈、亥姆霍茲線圈。。。，其中很多電感性負載能達到H級。即使是小的電感，如果要求電流源響應速度很高，也有同樣的問題。壇里有同惠的朋友，大家可向他請教，同惠某系列的電流源專為電感偏流的，同時又有很寬的頻率響應范圍。

RL是有直流電阻的電感，暫用(LL+RL)代替，(LL+RL)會使反饋系數(shù)F出現(xiàn)極點pL，對應的1/F出現(xiàn)零點，導致振蕩。pL的頻率點各位自己計算。

圖6

解決的辦法還是補償，只要在反饋系數(shù)F上引入一個零點zL，使1/F對應出現(xiàn)一個極點，從而使交點處的1/F曲線斜率為0。

圖7

還是在輸出減振器上做了文章，但一般不推薦直接用電容，雖然電感內(nèi)阻已經(jīng)是一次阻尼，但仍會導致校正后的1/F曲線在LC諧振頻率附近莫名其妙。通常的方法要給電容也加一點阻尼，串聯(lián)一個小電阻R，1—100 Ohm，視實際應用中的頻響曲線和C的取值而定。一般而言，10kHz以下的應用C=0.1uF，R=3 Ohm/1W。