電流源設(shè)計(jì)小Tips(一):如何選擇合適的運(yùn)放(2)

此時(shí)，運(yùn)放輸出端電壓基本控制在0.6—0.9V之間，即使TL061也可達(dá)到0.016%，OP07更可達(dá)到0.0001%。

如果將運(yùn)放電源VCC與連接負(fù)載的電源VP分開(kāi)，連接負(fù)載的電源VP為24V，電流源的輸出電壓便可達(dá)到20V以上。

可是，三極管的電流增益畢竟是有限的，即使是達(dá)林頓組態(tài)也不過(guò)1000，超beta管(通常用在雙極運(yùn)放輸入端)最大也不過(guò)10000，IB總會(huì)出現(xiàn)，而且IB通過(guò)Rsample流入地，造成Vsample里出現(xiàn)誤差。誤差即1/電流增益。

NS有個(gè)電路避免了這個(gè)問(wèn)題，使用JFET與NPN構(gòu)成一個(gè)無(wú)需電流驅(qū)動(dòng)的達(dá)林頓組態(tài)。

圖13

然而小功率JFET或N MOS并不便宜，而功率N MOSFET并不貴，還可減少一種庫(kù)存，因此使用N MOSFET代替NPN即可。

圖14

MOSFET不需要穩(wěn)定的電流驅(qū)動(dòng)，因此IG造成的Vsample誤差基本可以忽略，ID=IS，一個(gè)近乎完美的鏡像。

10W左右的N-MOSFET反而不太便宜，選用100W的IRF530也是明智的，而且為擴(kuò)充輸出功率提供了潛力。

本次增加成本：

IRF530 1只 單價(jià)3.00元，合計(jì)3.00元

合計(jì)成本：6.20元

如何選擇合適的運(yùn)放：

選擇運(yùn)放依據(jù)需求，每一種運(yùn)放都有適合的用途，而非通用。

電流源的需求：

1. Vin+=Vin-=Vsample，Vsample=300mV，任何恒溫正常工作狀態(tài)下，誤差源Vin+-Vin-應(yīng)小于Vsample的0.01%=30uV。

2. 溫度變化引起的VOS=Vin+-Vin-越小越好。精密儀器都會(huì)要求使用環(huán)境溫度范圍=25+/-10c==15-35C，因此在+/-10C范圍內(nèi)VOS變化應(yīng)小于Vsample的0.01%=30uV。

3. 穩(wěn)定電流輸出，不考慮脈沖性能，即可適當(dāng)放寬階躍響應(yīng)要求。

4. 低噪聲。

5. 價(jià)格越低越好。

這是工程上考慮問(wèn)題的思路，范圍由寬至窄逐級(jí)選擇：

1. 之前的負(fù)載調(diào)整率的計(jì)算表明，Aopen越大，Vin+-Vin-越小，很高的Aopen是精密運(yùn)放的典型特征，通常Aopen》120dB=1000000，可用的運(yùn)放為：

OP07家族，包括OP07/27/37/177/A277/227。

常見(jiàn)的運(yùn)放如LM358/324、TL061/071/081、LF356/357/347等均不屬于精密運(yùn)放，暫不使用。

2. 精密運(yùn)放的VOS通常很小，小于1mV，VOS/dT也很小，小于2uV/C，以O(shè)P07為例，VOS/dTmax=1.6uV/C，+/-10C變化+/-16uV，滿足需求。

一定會(huì)問(wèn)：為什么不用VOS/dT典型值計(jì)算(即使LM324也很小)，而用最大值?

圖15

工程設(shè)計(jì)原則而言是冗余量，做工程必須留足冗余量，不留冗余量的通常是學(xué)校作品和新手作品，做工程不能賭博，要盡量考慮到最壞情況，冗余量恰好就是最大值。

理論上的解釋，VOS/dT的測(cè)量電路與實(shí)際應(yīng)用電路不同，因此典型值只能作為參考，而非標(biāo)準(zhǔn)。選擇運(yùn)放時(shí)一定要看指標(biāo)的最寬泛范圍。實(shí)際上最大值也只能作為參考，但由于沒(méi)有其他電路形式的數(shù)據(jù)支持(事實(shí)上不可操作)，只能用最大值做計(jì)算依據(jù)。

OP07家族都沒(méi)有什么問(wèn)題，高Aopen和低VOS、VOS/dT總是一起出現(xiàn)，就像電阻的高準(zhǔn)確度和低溫漂總是一起出現(xiàn)。

OP07家族的單運(yùn)放還有一個(gè)額外的好處，可以調(diào)零。

3. 不考慮階躍響應(yīng)上升沿質(zhì)量時(shí)，無(wú)需運(yùn)放在高頻率的增益很大，對(duì)于穩(wěn)定源，運(yùn)放GBW大致1MHz上下即可。運(yùn)放后面的IRF530也非高頻率器件，因此選擇GBW很大的運(yùn)放很浪費(fèi)，而且將來(lái)的頻率補(bǔ)償會(huì)相當(dāng)麻煩。當(dāng)然，如果要求電流源工作在脈沖狀態(tài)(很多半導(dǎo)體測(cè)量系統(tǒng)為避免發(fā)熱而必須采用的方式)，可相應(yīng)更換運(yùn)放和MOSFET。

OP07家族里的OP27/37都是寬帶的，暫不考慮。(指標(biāo)過(guò)高，很好很好的運(yùn)放，OP37簡(jiǎn)直是曠世杰作)

OP07/177/OPA277都是1MHz左右的運(yùn)放。

4. OP07家族噪聲足夠低。

5. 這個(gè)問(wèn)題總是很棘手，但OP07很合適，物美價(jià)廉嘛。177也很好，不太貴，OPA277比較貴，但VOS/dT很低，留作備選。

還有一種精密運(yùn)放例如icl7650，斬波穩(wěn)零，原文是chopper amp。

有一些噪聲，但不大，更好的chopper amp會(huì)通過(guò)采樣把低頻噪聲量化為高頻，很容易濾除。

Aopen很高》140dB，電源范圍略小，+/-8V，既然電流源架構(gòu)并不要求運(yùn)放輸出動(dòng)態(tài)，也可。

最主要的VOS/dT理論上為0，實(shí)際上是長(zhǎng)期漂移，由開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期的性能不一致性造成。

但這種運(yùn)放一旦飽和，很難快速恢復(fù)，這是個(gè)重大缺點(diǎn)。而且很貴。

暫選OP07CP，運(yùn)放總是有過(guò)多的選擇，眼花繚亂。所以多數(shù)設(shè)計(jì)者總會(huì)用最熟悉的型號(hào)，而不求新。

由于電流源里只有1個(gè)運(yùn)放，因此零漂都由運(yùn)放而來(lái)，正好是OP07調(diào)零電路最合適應(yīng)用的場(chǎng)合。

調(diào)零電路參見(jiàn)OP07 datasheet，需要做適當(dāng)改進(jìn)，將20k電位器拆分為9.1k+2k電位器+9.1k，提高調(diào)整精度。

圖16

本次增加成本

OP07CP 1只 單價(jià)1.20元，合計(jì)1.20元

9.1k Ohm電阻 2只 單價(jià)0.01元，合計(jì)0.02元

2k Bouns 10圈精密微調(diào)3296電位器 1只 單價(jià)2.00元，合計(jì)2.00元。

合計(jì)3.22元

合計(jì)成本：9.42元

如何解決振蕩問(wèn)題：

相信還沒(méi)有人動(dòng)手，最好已經(jīng)搭好了上面提到的電路。然而卻發(fā)現(xiàn)根本不能用，不是上來(lái)就振，就是電流一大就開(kāi)始振。

一頭霧水，反饋看似是負(fù)反饋，而且用NPN就基本不會(huì)振，很奇怪，也很氣憤，因?yàn)闆](méi)有辦法，也沒(méi)有思路。

這是負(fù)反饋的固有問(wèn)題，凡負(fù)反饋都有機(jī)會(huì)振蕩，只要相位出問(wèn)題。

然而，還有一句話，凡負(fù)反饋的振蕩問(wèn)題都可解決。先吃一顆定心丸。

解決振蕩問(wèn)題就是剪裁頻率響應(yīng)曲線的過(guò)程。因此必須首先得到開(kāi)環(huán)增益Aopen和反饋系數(shù)F的頻率響應(yīng)。

反饋系數(shù)F就是1，在波特圖上是0dB線。

開(kāi)環(huán)增益Aopen麻煩一點(diǎn)，根據(jù)39樓電路，首先畫出小信號(hào)等效電路。

開(kāi)環(huán)分為三部分：

1. 運(yùn)放

2. MOSFET輸入

3. MOSFET輸出

圖17

這個(gè)電路的傳遞函數(shù)由于Cgs不接地并且與壓控電流源gmVgs耦合而不太好算，在學(xué)校帶畢設(shè)的時(shí)候曾經(jīng)讓一個(gè)學(xué)生推過(guò)一次，就是不知道二極管符號(hào)幾個(gè)三角的學(xué)生。他很嚴(yán)謹(jǐn)而且敬業(yè)，不僅推出來(lái)還檢查了三遍，交給學(xué)校培養(yǎng)真是浪費(fèi)了。

傳遞函數(shù)算出來(lái)是一個(gè)一寸高兩寸寬的拉普拉斯變換，實(shí)在沒(méi)有時(shí)間再推一遍，不過(guò)如果忽略某些不太重要的量，由于Rsample很小，而與Cgs接地時(shí)差不太多。

圖18

運(yùn)放之后的Ro是運(yùn)放的輸出電阻，即運(yùn)放輸出級(jí)的限流電阻，大致在200 Ohm左右?？梢杂梢韵路椒ù笾峦瞥觯?/p>

非規(guī)到軌運(yùn)放臨界飽和輸出電壓為Vcc-4V，最大輸出電流20mA左右，限流電阻約200 Ohm左右。

Cgs比較復(fù)雜，按datasheet上的說(shuō)明，Ciss=760pF@Vgs=0/VDS=25V，但VDS減小和Vgs增大會(huì)使Ciss增大到約1000pF。

圖19

同時(shí)圖中省略了跨導(dǎo)電容Crss，Crss可通過(guò)密勒定理等效在輸入和輸出端的小電容，很小而忽略。