電流源設計小Tips（一）：如何選擇合適的運放

　　圖20

　　gm也有轉折頻率，最終產(chǎn)生fT，但這個(gè)參數很難得到，因為大多數功率MOSFET都是用在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而且gmDC隨偏置變化很大，因此datasheet里通常不給出，但由導通時(shí)間，Ciss，Coss和Crss可大致推出gm的fT很高，除以gmDC即為轉折頻率，很高，大致在10MHz左右。已遠遠超出OP07的可操作范圍，因此忽略，認為gm是不隨頻率變化的水平直線(xiàn)。

　　也可看出為什么之前不用OP37的原因，因為gm的轉折頻率恰好在OP37的操作頻率范圍內，從而造成頻率補償復雜度增加。

分析Aopen之一：運放的主極點(diǎn)

　　運放是多零極點(diǎn)系統，但一般都具有2個(gè)主極點(diǎn)，低頻主極點(diǎn)，靠近DC，高頻主極點(diǎn)，靠近GBW。圖為OP07的開(kāi)環(huán)增益頻響曲線(xiàn)。

　　圖21

　　2個(gè)主極點(diǎn)中，高頻主極點(diǎn)通常不受重視，因為大多數運放的高頻主極點(diǎn)都在0dB線(xiàn)以下，即單位增益穩定。反饋環(huán)路中只有1只運放時(shí)很少遇到增益小于1的情況。因此很多運放datasheet中高頻主極點(diǎn)都不標出。

　　考慮運放與10倍理想增益級級聯(lián)（有時(shí)是必須的），這個(gè)高頻主極點(diǎn)就會(huì )浮出水面，如果閉環(huán)增益為1，便會(huì )產(chǎn)生振蕩。

圖22　　

　　圖23

　　分析Aopen之二：MOSFET和Rsample

　　如前所述，MOSFET分為輸入和輸出兩部分，通過(guò)合理簡(jiǎn)化，輸入的Cgs接地。

　　應該感謝輸入輸出功率隔離的設計方法，不知是誰(shuí)先造出了電子管，否則這部分分析會(huì )相當復雜。

　　1. 輸入部分

　　輸入部分由Ro=200 Ohm和Cgs=1000pF構成低通濾波器，并產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)po。低頻增益為0dB，產(chǎn)生轉折頻率的極點(diǎn)po位于約800kHz。正好落在OP07 0dB以上的頻帶范圍內，因此推測與振蕩有關(guān)。

　　圖24

　　2. 輸出部分

　　MOSFET的電流Id=gmVgs流經(jīng)Rsample產(chǎn)生電壓gmVgsRsample，因此增益為gmRsample。由于gm的轉折頻率很高，Rsample在低頻下為理想電阻，因此gmRsample的頻率響應為平行于0dB線(xiàn)的直線(xiàn)。

　　電流源輸出電流很小時(shí)，gm接近于0，因此gmRsample位于0dB線(xiàn)以下很低的位置。輸出電流增大造成gm增大，gmRsample不斷上移，直至最大電流時(shí)，gm=2s，Rsample=3 Ohm，gmRsample=6，移至0dB線(xiàn)以上。

　　圖25

　　兩部分級聯(lián)后，增益相乘，波特圖上增益相加，如下圖：

　　圖26

　　此時(shí)如果gmRsample》1，極點(diǎn)po在0dB線(xiàn)之上，反之則在0dB線(xiàn)之下。

　　一旦po高于0dB線(xiàn)，而1/F=1（0dB）且運放自身Aopen在此頻率附近有-20dB/DEC的斜率，則po之后斜率將達到-40dB/DEC，可能產(chǎn)生振蕩。

　　因此推論振蕩的產(chǎn)生應與Ro、Cgs、gm和Rsample均相關(guān)。

　　分析Aopen之三：為何振蕩

　　將運放、MOSFET和Rsample構成的傳遞函數級聯(lián)，得到下圖的完整開(kāi)環(huán)增益Aopen：

　　圖27

　　Aopen具有3個(gè)主極點(diǎn)，分別為：

　　1. 運放低頻主極點(diǎn)pL

　　2. MOSFET輸入電容造成的極點(diǎn)po

　　3. 運放高頻主極點(diǎn)pH

　　gmRsample《1時(shí)，po在0dB線(xiàn)之下，系統穩定。

　　gmRsample》1時(shí)，po在0dB線(xiàn)之上，系統振蕩。

　　gmRsample=1時(shí)，po=0dB，系統處于臨界狀態(tài)。

　　此問(wèn)題的原因說(shuō)來(lái)簡(jiǎn)單：

　　gm與電流Id息息相關(guān)，gm隨Id的增大而增大，因此gmRsample

　　可能由《1變化至》1，使極點(diǎn)po位于0dB線(xiàn)之上，1/F=0dB線(xiàn)與

　　Aopen的交點(diǎn)處斜率差為40dB/DEC，因此系統振蕩。

　　當然，可通過(guò)降低Rsample避免振蕩，然而這不是治本的方法，而且會(huì )引起成本、噪聲等一系列問(wèn)題。

　　處理振蕩時(shí)的一個(gè)基本原則，盡量首先剪裁Aopen，而后才是1/F。改變1/F可能造成系統瞬態(tài)性能的變化。

　　頻率補償是雙刃劍，可能造成系統性能下降，過(guò)分的單一補償會(huì )造成大量問(wèn)題。因此應盡量使用多種補償方法，而且每種補償適可而止。

　　本次將采用三種補償方法，分別解決三種問(wèn)題：

　　1. 加速補償

　　2. 噪聲增益補償

　　3. 高頻積分補償

　　由于篇幅的原因，第一部分就先說(shuō)到這里，接下來(lái)我會(huì )談到加速補償，校正Aopen的問(wèn)題，敬請留意。