電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放

　　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。

　　我這次的目標是搭建一個有基本功能的20V/100mA電流源，它即可固定輸出，又可用單片機步進控制。下圖是易於實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，採樣電阻Rsample的大小取值有何講究呢？

　　

　　圖1

　　如果Rsample過大，將導致：

　　1. 採樣功率過高，對Rsample溫度穩定要求高，因而成本呈指數提高。

　　解釋：如果Rsample=1 Ohm，Vsample=1V，Psample=100mW，對於精密應用而言，電阻耗散100mW通常是難以接受的採樣功率。

　　2. RL上的電壓動態範圍減小，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：Rsample=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。

　　關於如何選擇採樣電阻：

　　電流源需要採樣電流進行反饋，雖然也有其他方法採樣，但最穩定也是最準確的方法仍然是電阻採樣。

　　普及知識：用於採樣的電阻功率至少大於採樣功率20倍以上，才不致由於發熱造成明顯的漂移。

　　繼續上次，100mA_級的電流是很常用的電流值，但對於電阻採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，使用分流器採樣為主，只要功率足夠即可。

　　mA/10mA_級的電流相對簡單，由於不產生顯著的採樣功率，因此通常的精密金屬膜電阻都可滿足要求。

　　100mA_級的電流不大不小，用分流器沒有這麼大的阻值，用精密金屬膜電阻沒有這麼大功率。

　　

　　圖2

　　解決方法：

　　1. 降低採樣電壓，使用小阻值

　　2. 降低採樣功率，同功率下，阻值儘量大

　　看似矛盾，其實很簡單，並聯多個精密金屬膜電阻。

　　實例：

　　100mA，採樣電阻4隻12 Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻並聯，等效電阻3 Ohm，採樣電壓300mV，採樣總功率30mW，每隻電阻功率7.5mW。

　　採用這種方法需要在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。然而實際電阻產品的精度和漂移基本是對應的，買電阻時除了功率外一定著重詢問。

　　此外，電阻出廠前經過老化最好，無老化的電阻通常便宜一些，但通電後幾天內性能多少會有些變化。

　　本次成本：

　　12 Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 4隻 單價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. 對於某些運放，如LM1875，需要20倍以上增益才可穩定，此時要求RL》=10Rsample。

　　否則，如下圖所示，1/F與Aopen交點斜率差為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。

　　對於第一種情況，通過運放的外部補償即可消除，由於現代運放都具有0dB穩定性，因此不作為討論重點。

　　對於第二種情況，需要在反饋通路引入適當的頻率補償，由於通常補償元件並聯在RL兩端，因此稱為輸出減振器。

　　對於電阻性負載，輸出減振器即電容，通過在反饋迴路中引入零點z，從而達到穩定，但將限制反饋系統帶寬。

　　

　　圖4

　　補償後，如下圖所示，1/F與Aopen交點斜率差為20dB/DEC。

　　

　　圖5

　　零點頻率自己計算，很簡單。

　　零點的選擇根據運放的Aopen各轉折頻率點選擇。為保證各種負載電阻下均達到穩定，通常零點選在較低頻率，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，但作為頻率補償的範例可作為後續的準備知識。

　　本次增加成本：

　　50V耐壓1uF以下CBB電容 1隻 單價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、物理方法產生的電能不同，依賴反饋理論的電源都會有先天的恐懼症。

　　與電壓源害怕遇到電容性負載類似，電流源遇到電感性負載時也須謹慎處理。

　　題外話：似乎所有穩壓電源都會在輸出有電容，與上面的話衝突。其實穩壓電源也做過補償，況且10uF量級的電容以足夠大，普通的電壓源能量無法帶動10uF在特定頻率上以很大的幅度振蕩，但並非不振只是幅度很小，很像紋波。這就是為什麼壇裡壇外有些diy電源會產生莫名其妙的「紋波」和「噪聲」的原因。

　　電流源的負載除了電阻和二極體以外，更多的應用就是電感，變壓器、螺線管、電磁鐵、空心線圈、亥姆霍茲線圈。。。，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，也有同樣的問題。壇裡有同惠的朋友，大家可向他請教，同惠某系列的電流源專為電感偏流的，同時又有很寬的頻率響應範圍。

　　RL是有直流電阻的電感，暫用（LL+RL）代替，（LL+RL）會使反饋係數F出現極點pL，對應的1/F出現零點，導致振蕩。pL的頻率點各位自己計算。

　　

　　圖6

　　解決的辦法還是補償，只要在反饋係數F上引入一個零點zL，使1/F對應出現一個極點，從而使交點處的1/F曲線斜率為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，雖然電感內阻已經是一次阻尼，但仍會導致校正後的1/F曲線在LC諧振頻率附近莫名其妙。通常的方法要給電容也加一點阻尼，串聯一個小電阻R，1—100 Ohm，視實際應用中的頻響曲線和C的取值而定。一般而言，10kHz以下的應用C=0.1uF，R=3 Ohm/1W。

　　

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