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

　　如果Vp由開(kāi)關(guān)電源提供，開(kāi)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(kāi)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(wèn)題。

　　紋波或其某個(gè)諧波通過(guò)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)法（或大部分無(wú)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。回轉(zhuǎn)的作用在于不過(guò)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(méi)有回轉(zhuǎn)頻率。那一定有Cm很?。?00pF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(guò)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(méi)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(jiàn)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

　　題外話：

　　Rm、Cm、Rc和Cc構(gòu)成的局部反饋問(wèn)題至今懸而未決，用拉普拉斯變換，無(wú)論如何計(jì)算，運(yùn)放開(kāi)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(kāi)路，運(yùn)放開(kāi)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(lái)，倒是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，1/0不是無(wú)窮大，而是沒(méi)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](méi)有容抗概念。

避免輕微的超調(diào)過(guò)沖和常規(guī)電壓接口

　　由于噪聲增益補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，電流源在階躍激勵(lì)下會(huì)有輕微的超調(diào)過(guò)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(wèn)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