電流源設計小Tips（一）：如何選擇合適的運放

　　對于工程師來(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，而應用開(kāi)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)，指導大家做個(gè)人人能掌控的電流源。本文主要就是設計到模擬部分的內容，而基本不涉及單片機，希望朋友能夠從中學(xué)到點(diǎn)知識。

　　我這次的目標是搭建一個(gè)有基本功能的20V/100mA電流源，它即可固定輸出，又可用單片機步進(jìn)控制。下圖是易于實(shí)現數控的直流電流源。假設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(guò)大，將導致：

　　1. 采樣功率過(guò)高，對Rsample溫度穩定要求高，因而成本呈指數提高。

　　解釋?zhuān)喝绻鸕sample=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(dòng)態(tài)范圍減小，減小RL電阻上限。

　　但對運放和Vin調理電路的要求相應降低。

　　如果Rsample過(guò)小，將導致運放的種種誤差顯現：

　　1. VOS的漂移與Vin可比，造成輸出電流誤差。

　　解釋?zhuān)篟sample=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(xiàn)性提高。

　　4. 對處理Vin的調理電路要求提高，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(jìn)行反饋，雖然也有其他方法采樣，但最穩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(jiǎn)單，由于不產(chǎn)生顯著(zhù)的采樣功率，因此通常的精密金屬膜電阻都可滿(mǎn)足要求。

　　100mA_級的電流不大不小，用分流器沒(méi)有這么大的阻值，用精密金屬膜電阻沒(méi)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應的，買(mǎi)電阻時(shí)除了功率外一定著(zhù)重詢(xún)問(wèn)。

　　此外，電阻出廠(chǎng)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(guò)運放的外部補償即可消除，由于現代運放都具有0dB穩定性，因此不作為討論重點(diǎn)。

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

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

　　圖4

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

　　圖5

　　零點(diǎn)頻率自己計算，很簡(jiǎn)單。

　　零點(diǎn)的選擇根據運放的Aopen各轉折頻率點(diǎn)選擇。為保證各種負載電阻下均達到穩定，通常零點(diǎn)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(shí)際中應用，例如1875做的電流源溫度漂移嚴重，但作為頻率補償的范例可作為后續的準備知識。

　　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1.00元

　　合計成本：3.00元

　　注意你的負載之二（電感）

　　和化學(xué)、物理方法產(chǎn)生的電能不同，依賴(lài)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載類(lèi)似，電流源遇到電感性負載時(shí)也須謹慎處理。

　　題外話(huà)：似乎所有穩壓電源都會(huì )在輸出有電容，與上面的話(huà)沖突。其實(shí)穩壓電源也做過(guò)補償，況且10uF量級的電容以足夠大，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(xiàn)管、電磁鐵、空心線(xiàn)圈、亥姆霍茲線(xiàn)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(wèn)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(zhuān)為電感偏流的，同時(shí)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(huì )使反饋系數F出現極點(diǎn)pL，對應的1/F出現零點(diǎn)，導致振蕩。pL的頻率點(diǎn)各位自己計算。

　　圖6

　　解決的辦法還是補償，只要在反饋系數F上引入一個(gè)零點(diǎn)zL，使1/F對應出現一個(gè)極點(diǎn)，從而使交點(diǎn)處的1/F曲線(xiàn)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，雖然電感內阻已經(jīng)是一次阻尼，但仍會(huì )導致校正后的1/F曲線(xiàn)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)際應用中的頻響曲線(xiàn)和C的取值而定。一般而言，10kHz以下的應用C=0.1uF，R=3 Ohm/1W。