電流源設(shè)計(jì)小Tips（一）：如何選擇合適的運(yùn)放(1)

對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，電流源是個(gè)不可或缺的儀器，也有很多人想做一個(gè)合用的電流源，而應(yīng)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(xué)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(dǎo)大家做個(gè)人人能掌控的電流源。本文主要就是設(shè)計(jì)到模擬部分的內(nèi)容，而基本不涉及單片機(jī)，希望朋友能夠從中學(xué)到點(diǎn)知識(shí)。

我這次的目標(biāo)是搭建一個(gè)有基本功能的20V/100mA電流源，它即可固定輸出，又可用單片機(jī)步進(jìn)控制。下圖是易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控的直流電流源。假設(shè)運(yùn)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(guò)大，將導(dǎo)致：

1. 采樣功率過(guò)高，對(duì)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(duì)于精密應(yīng)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(dòng)態(tài)范圍減小，減小RL電阻上限。

但對(duì)運(yùn)放和Vin調(diào)理電路的要求相應(yīng)降低。

如果Rsample過(guò)小，將導(dǎo)致運(yùn)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(guò)高，運(yùn)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(dǎo)致RL上電流噪聲增大。

3. 對(duì)運(yùn)放要求提高，因而成本呈線性提高。

4. 對(duì)處理Vin的調(diào)理電路要求提高，因而提高成本。

但對(duì)Rsample的要求相應(yīng)降低。

關(guān)于如何選擇采樣電阻：

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

普及知識(shí)：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(jí)的電流是很常用的電流值，但對(duì)于電阻采樣而言通常也是比較尷尬的電流值。

A_級(jí)的電流通常不要求太高準(zhǔn)確度，使用分流器采樣為主，只要功率足夠即可。

mA/10mA_級(jí)的電流相對(duì)簡(jiǎn)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(jí)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(shí)很簡(jiǎn)單，并聯(lián)多個(gè)精密金屬膜電阻。

實(shí)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(shí)際電阻產(chǎn)品的精度和漂移基本是對(duì)應(yīng)的，買電阻時(shí)除了功率外一定著重詢問(wèn)。

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

本次成本：

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

注意你的負(fù)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(yùn)放看到的增益約為1，如果運(yùn)放單位增益不甚穩(wěn)定，例如LF357，電路可能振蕩。

2. 對(duì)于某些運(yùn)放，如LM1875，需要20倍以上增益才可穩(wěn)定，此時(shí)要求RL》=10Rsample。

否則，如下圖所示，1/F與Aopen交點(diǎn)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(diǎn)斜率差最大為20dB/DEC。

圖3

然而，源是不能挑選負(fù)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(duì)于第一種情況，通過(guò)運(yùn)放的外部補(bǔ)償即可消除，由于現(xiàn)代運(yùn)放都具有0dB穩(wěn)定性，因此不作為討論重點(diǎn)。

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

對(duì)于電阻性負(fù)載，輸出減振器即電容，通過(guò)在反饋回路中引入零點(diǎn)z，從而達(dá)到穩(wěn)定，但將限制反饋系統(tǒng)帶寬。

圖4

補(bǔ)償后，如下圖所示，1/F與Aopen交點(diǎn)斜率差為20dB/DEC。

圖5

零點(diǎn)頻率自己計(jì)算，很簡(jiǎn)單。

零點(diǎn)的選擇根據(jù)運(yùn)放的Aopen各轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)選擇。為保證各種負(fù)載電阻下均達(dá)到穩(wěn)定，通常零點(diǎn)選在較低頻率，將犧牲部分頻率響應(yīng)。

雖然第二種情況很少在實(shí)際中應(yīng)用，例如1875做的電流源溫度漂移嚴(yán)重，但作為頻率補(bǔ)償?shù)姆独勺鳛楹罄m(xù)的準(zhǔn)備知識(shí)。

本次增加成本：

50V耐壓1uF以下CBB電容 1只 單價(jià)1.00元，合計(jì)1.00元

合計(jì)成本：3.00元

注意你的負(fù)載之二(電感)

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

與電壓源害怕遇到電容性負(fù)載類似，電流源遇到電感性負(fù)載時(shí)也須謹(jǐn)慎處理。

題外話：似乎所有穩(wěn)壓電源都會(huì)在輸出有電容，與上面的話沖突。其實(shí)穩(wěn)壓電源也做過(guò)補(bǔ)償，況且10uF量級(jí)的電容以足夠大，普通的電壓源能量無(wú)法帶動(dòng)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(huì)產(chǎn)生莫名其妙的“紋波”和“噪聲”的原因。

電流源的負(fù)載除了電阻和二極管以外，更多的應(yīng)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(fù)載能達(dá)到H級(jí)。即使是小的電感，如果要求電流源響應(yīng)速度很高，也有同樣的問(wèn)題。壇里有同惠的朋友，大家可向他請(qǐng)教，同惠某系列的電流源專為電感偏流的，同時(shí)又有很寬的頻率響應(yīng)范圍。

RL是有直流電阻的電感，暫用(LL+RL)代替，(LL+RL)會(huì)使反饋系數(shù)F出現(xiàn)極點(diǎn)pL，對(duì)應(yīng)的1/F出現(xiàn)零點(diǎn)，導(dǎo)致振蕩。pL的頻率點(diǎn)各位自己計(jì)算。

圖6

解決的辦法還是補(bǔ)償，只要在反饋系數(shù)F上引入一個(gè)零點(diǎn)zL，使1/F對(duì)應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)，從而使交點(diǎn)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(huì)導(dǎo)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(diǎn)阻尼，串聯(lián)一個(gè)小電阻R，1—100 Ohm，視實(shí)際應(yīng)用中的頻響曲線和C的取值而定。一般而言，10kHz以下的應(yīng)用C=0.1uF，R=3 Ohm/1W。