電流源設計小Tips（二）：如何解決運放振蕩問(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?。?00pF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

　　題外話(huà)：

　　Rm、Cm、Rc和Cc構成的局部反饋問(wèn)題至今懸而未決，用拉普拉斯變換，無(wú)論如何計算，運放開(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，運放開(kāi)環(huán)直流增益不受影響。

　　也許是拉普拉斯變換對直流力不從心，細細想來(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？如果用容抗計算Vout=1/2Vin，但實(shí)際上Vout=任意值。因為直流下電容沒(méi)有容抗概念。

避免輕微的超調過(guò)沖和常規電壓接口

　　由于噪聲增益補償的問(wèn)題，電流源在階躍激勵下會(huì )有輕微的超調過(guò)沖，稍嚴重一點(diǎn)兒在示波器上能看到逐漸衰減的超調振蕩。

　　雖然不嚴重，但追求完美即完善細節，盡量做得比對手好一點(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)常規電壓接口，0—0.3V估計不是標準的電壓，標準電壓一般都是2.5V/5V（DAC、基準）或7V（更好的基準）。

　　電阻分壓降壓即可，以2.5V為例。

　?。?.5/0.3）-1=7.33，如果對地電阻R4為3.3k Ohm，水平電阻為24.2k Ohm，其中設置微調R2=5k Ohm + R3=500 Ohm電位器，固定電阻R1取值22k Ohm。

　　對地電阻并電容C1，獲得低通濾波器，轉折頻率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0.50元。

　　5k Bouns 10圈精密微調3296電位器 1只 單價(jià)2.00元，合計2.00元

　　500 Ohm Bouns 10圈精密微調3296電位器 1只 單價(jià)2.00元，合計2.00元

　　0.1uF/50V電容 1只 單價(jià)0.03元，合計0.03元

　　合計5.03元

　　合計成本14.58元