電流源設計小Tips（二）：如何解決運放振蕩問(wèn)題(2)

看似只有一個(gè)輸入端Vin，但有前提條件——理想電源。

此電路共有5個(gè)輸入端，Vin、Vcc、Vee、Vp和GND。

1. Vin為設定輸入端，自然希望所有系統輸出都只與其相關(guān)。

2. Vcc和Vee為運放電源。通常運放只需要5mA以?xún)鹊钠?，因此只需濾波電容大于100uF既可限制紋波在可容忍的范圍內，況且Vcc和Vee一般會(huì )有78xx穩壓，78xx的紋波抑制能力不低于100倍即40dB，運放本身的電源抑制比至少80dB，因此Vcc和Vee的小幅變化對系統的影響基本可以忽略，即Vcc和Vee可視為理想電源。

3. GND也是輸入端?不錯，除非銅的電阻率為0，否則地阻抗會(huì )起作用。如果PCB嚴格一點(diǎn)接地，由于地阻抗造成的問(wèn)題基本不用考慮。否則，PCB設計不合格。

還剩下一個(gè)Vp，雖然Vp也可由78xx得到，穩壓前還可用大電容濾波，但MOSFET是沒(méi)有電源抑制能力的，因此Vp的波動(dòng)會(huì )通過(guò)影響輸出電流(一定頻率下，系統調整能力是有限的)直接作用在Rsample上，并反應在運放輸入端Vin-。

100mA的電源的紋波問(wèn)題是容易處理的，如果電流達到A_級別以上，很少有便宜的穩壓IC可以處理，雖然LT108x能達到5A，但是在Vdrop不大的情況下，如果Vdrop=3V，一般的小散熱器就會(huì )力不從心，5A只是瞬間電流儲備能力，不推薦連續使用。因此A_級別以上的電源大多直接整流濾波得到，紋波不可小視。雖然理論上2000uF/A的濾波電容已足夠抑制紋波，但那是在變壓器內阻極低的前提下。更大電流的電源很多由可控硅調壓得到，那個(gè)紋波就更厲害，即使濾波電容很大，紋波仍可由示波器清晰看到。

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進(jìn)入電路。

如果紋波頻率很低，例如100Hz，系統在此頻率完全可以應對，但Vp引入的信號(紋波和噪聲)通常不是正弦波，而是非對稱(chēng)三角波，上升沿和下降沿分別為電容充電和放電曲線(xiàn)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(zhù)的問(wèn)題。

紋波或其某個(gè)諧波通過(guò)Vp進(jìn)入電路后，如果系統在此頻率上調整能力有限，將造成輸出電流波動(dòng)(系統無(wú)法以足夠的速率相應反向調整)，并反應在Rsample上，進(jìn)入Vin-。運放隨即調整輸出端，但能力有限，輸出端尚未調整好，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。因此要么提高系統帶寬，要么改善電源質(zhì)量。

然而，對于恒流電子負載而言，原則上要面對各種電壓源Vp，而且大多數是作為中間產(chǎn)品的實(shí)驗源，性能參差，紋波水平各異。改善電源質(zhì)量基本是句空話(huà)。提高系統帶寬對于穩恒用途又實(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性強的處理辦法，使運放無(wú)法看到高頻率的紋波，即積分補償。

在運放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)入運放。對于電子負載，積分補償更為重要。

由于RF、Rm和Cm構成積分器，因而稱(chēng)為積分補償。積分補償的0dB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，直至達到Rm和Cm確定的回轉(零點(diǎn))頻率fiz=1/2piRmCm?；剞D的作用在于不過(guò)分降低系統對高頻的反應能力。

0dB頻率至少應低于誘發(fā)振蕩的紋波頻率10倍，已達有效衰減。

很多電路不使用Rm，即沒(méi)有回轉頻率。那一定有Cm很小(100pF左右)的前提，否則如果Cm很大，積分頻響曲線(xiàn)在高頻段衰減過(guò)于嚴重，將造成系統高頻控制力下降。對于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，系統越穩定，但也會(huì )由于Rm、Cm和Rc、Cc構成的局部反饋使系統瞬態(tài)性能降低，因此適可而止。

積分補償沒(méi)有固定的經(jīng)驗值，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(例如電子負載通常見(jiàn)到的情況)，Cm可增大至1uF。

此外Cm的選擇還與運放GBW有關(guān)，GBW越高(當然要有頻率足夠高的MOSFET配合)，系統對于高頻的控制能力越強，Cm可越小。

Rm決定回轉頻率，通?；剞D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0.01元

1000pF/50V電容 1只 單價(jià)0.03元，合計0.03元

合計0.04元

合計成本：9.55元