電流源設計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

2021-01-04 電子產品世界
對於工程師來說,電流源是個不可或缺的儀器,也有很多人想做一個合用的電流源,而應用開源套件,就只是用一整套的PCB,元件,程序等成套產品,參與者只需要將套件的東西焊接好,調試一下就可以了,這裡面的技術含量能有多高,而我們能從中學到的技術又能有多少呢?本文只是從講述原理出發,指導大家做個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到點知識。上次講到《電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放》,今天接下來看其它部分的學習。

  加速補償——校正Aopen

  校正Aopen是補償的最佳方法,簡單的Aopen補償會起到1/F補償難以達到的效果,但並非解決一切問題。

  如果振蕩由於po位於0dB線之上造成,可想到的第一辦法是去掉po。

  去掉極點作用的基本方法是引入零點。

  引入零點的最佳位置為Ro,Ro上並聯電容Cs可為MOSFET輸入端引入一個零點zo。

  但Ro是運放內部電阻,無法操作,因此在Ro後添加一隻電阻Rs,並將Cs與Rs並聯。

  

  如果Rs》Ro,則可基本忽略Ro的作用。

  增加Rs和Cs後,會使MOSFET輸入端的極點po和零點zo頻率分別為:

  po=1/2pi(Cs+Cgs)Rs,zo=1/2piCsRs。

  如果Cs》Cgs,則原有的極點po=1/2piRoCs由高頻段移至低頻段,頻率由Cs、Cgs和Rs決定,而非Cgs和Ro決定,新引入的零點zo也在低頻段並與po基本重合,兩者頻率差由Cgs與Cs的比例決定,因而很小。

  通常Rs=2k-5kOhm,Cs=0.01-0.1uF。

  

  Rs和Cs將原有極點po移至低頻段並通過zo去除。像極了chopper運放裡通過採樣將1/f噪聲量化到高頻段後濾除。很多不沾邊的方法思路都是相通的。

  由瞬態方法分析,Cs兩端電壓不可突變,因此運放輸出電壓的變化會迅速反應到柵極,即Cs使為Cgs充電的電流相位超前pi/2。因此Cs起到加速電容作用,其補償稱為加速補償或超前補償。

  很多類似電路裡在Rs//Cs之後會串聯一隻小電阻,約100 Ohm,再稍適調整零點和極點位置,此處不必再加,那個忽略的Ro很合適。

  看個範例,Agilent 36xx系列的MOSFET輸入級處理,由於PNP內阻很小,至少比運放低得多,因此後面有一隻R42=100 Ohm。

  

  在此之前,如果看到C49和R39,恐怕很多壇友會很難理解其作用,然而這也正是體現模擬電路設計水平之處。有人感嘆36xx系列電路的複雜,然而內行看門道,其實真正吃功夫的地方恰在幾隻便宜的0805電阻和電容上,而非那些一眼即可看出的LM399、AD712之類的昂貴元件。

  後面兩節裡還會出現幾隻類似的元件,合計成本0.20元之內。

  本次增加成本:

  3.9k Ohm電阻 1隻 單價0.01元,合計0.01元

  0.1uF/50V電容 1隻 單價0.03元,合計0.03元

  合計0.04元

  合計成本:9.46元
潛在的振蕩:運放的高頻主極點pH

  通過加速補償,由Cgs造成的極點作用基本消除。

  然而,0dB線附近還有一個極點——運放的高頻主極點pH。

  事實上,就純粹的運放而言,pH只在0dB線之下不遠的位置。與po類似,由於gmRsample的增益作用,pH也有可能浮出0dB線,從而使Aopen與1/F的交點斜率差為40dB/DEC,引起振蕩。

  pH的位置比po低,因此gmRsample的增益必須更高才能使電路由於pH而產生振蕩,然而gmRsample由於datasheet中沒有完整參數,實際上只能大致預測而無法精確計算。因此必須採取一定措施避免pH的作用。

  如前所述,零點可以矯正極點的作用,但有一個條件,除非將零點/極點頻率降得很低或升得很高,使其位於遠離1/F的位置。

  pH距離0dB線過於近,而且是運放的固有極點,想通過前面類似的方法轉移極點位置很不容易。

  如果1/F的位置改變,遠離pH,就能輕易解決pH的煩惱。然而1/F決定了電路的輸出電流,不能隨意更改。

  但如果1/F的DC值不變而高頻有所提升,應該可以——這就是噪聲增益補償。

  噪聲增益補償方法來自反向放大器,使用RC串聯網絡連接在Vin+和Vin-之間。這種方法不建議用在同向放大器,但也不是絕對不可以,只需將RC串聯網絡的Vin+端接地,並在Rsample上的電壓反饋到Vin-之前串聯電阻RF即可。

  

  這個電路在功放裡很常見,目的是降低DC誤差,但不影響高頻響應。此處的作用在於為反饋係數F提供一對極點/零點,從而使F的高頻響應降低,即1/F的高頻響應增強,實質上使F成為一個低通濾波器,對應1/F為高通濾波器。

  

  F中的極點和零點在1/F中相對應為零點zc和極點pc,zc=1/2pi(RF+Rc)Cc,pc=1/2piRcCc,兩者之間的增益差為1+RF/Rc,從而使pc之後的1/F提升了1+RF/Rc,使1/F遠離pH。

  顯然,1+RF/Rc越大,zc和pc頻率越低,1/F越遠離pH,系統越穩定,但也會出現致命的問題——瞬態性能下降。

  如果電流源輸入端施加階躍激勵,電流源系統輸出端會產生明顯的過衝振蕩,而後在幾個振蕩周期後進入穩態。

  原因在於階躍激勵使運放迅速動作,MOSFET柵極電壓迅速增大,輸出電流Io增大,但體現在Rsample上的採樣電壓IoRsample受到噪聲增益補償網絡F的低通作用,向運放隱瞞了IoRsample迅速上升的事實,即反饋到Vin-的電壓無法體現運放的輸出動作,從而造成超調振蕩。

  雖然超調振蕩不是致命的,由於足夠的阻尼作用,它總會進入穩態,但超調造成的輸出電流衝擊卻很容易摧毀脆弱的負載,因此仍然不能容忍。

  適可而止,如果1+RF/Rc=2,就給gm的增大提供2倍空間,考慮稍適過補償原則,1+RF/Rc取3是合理的,對應產生3倍gm變化的電流增量至少需要10倍,足矣。

  即使如此,階躍響應仍有一些很小的過衝,將在後面解決。

  直流性能是不受影響的。

  實際RF=1k Ohm,Rc=470 Ohm,Cc=0.1uF,zc=1kHz/0dB,pc=3kHz/9.5dB。

  (補充:上一節中的Rs=3.9k Ohm,Cs=0.1uF,po=400Hz,zo=400Hz,由於無法編輯,補充於此)

  本次增加成本:

  1k Ohm電阻 1隻 單價0.01元,合計0.01元

  470 Ohm電阻 1隻 單價0.01元,合計0.01元

  0.1uF/50V電容 1隻 單價0.03元,合計0.03元

  合計0.05元

  合計成本:9.51元
第二個輸入端

  將之前的補償元件添加進基礎電路,並標註完整的電源。

  

  看似只有一個輸入端Vin,但有前提條件——理想電源。

  此電路共有5個輸入端,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。

  2. Vcc和Vee為運放電源。通常運放只需要5mA以內的偏流,因此只需濾波電容大於100uF既可限制紋波在可容忍的範圍內,況且Vcc和Vee一般會有78xx穩壓,78xx的紋波抑制能力不低於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,否則地阻抗會起作用。如果PCB嚴格一點接地,由於地阻抗造成的問題基本不用考慮。否則,PCB設計不合格。

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

  100mA的電源的紋波問題是容易處理的,如果電流達到A_級別以上,很少有便

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