電流源設(shè)計小Tips（一）：如何選擇合適的運放(1)

圖8

很奇怪為什么用1W的電阻，R里通常不走電流，做過音響功放的應(yīng)該有點體會，這里不再詳述。

本次增加成本：

3 Ohm/1W水泥/碳膜/金屬膜電阻 1只 單價0.20元 合計0.20元

合計成本：3.20元

負載的問題已經(jīng)完成，好像還缺電容沒有討論，給個公式CV=It，考慮考慮看。電流源不太怕電容的。

這兩部分關(guān)于負載的問題，大家好像都不太感覺興趣，與烙鐵太遠了。

其實都是學校里很少見到的，工程上優(yōu)先考慮的事項。

模電老師自己沒做過東西的，自然不會給講這個，這就是為什么學校作品通常很難變成產(chǎn)品的原因。

實際的運放：

模型說了這么多，還沒和實際的沾上邊兒，這一部分將考慮實際器件。

通常的運放最高能輸出35mA(我見過的，勿疑)，而且到達最大輸出電流時，運放幾乎進入飽和狀態(tài)，已失去大多數(shù)可圈可點的性能。

當然，功率運放可輸出5A以上的電流，但功率運放的直流特性不大好，集中于VOS和dVOS/dT，有興趣的壇友可查看LM1875的datasheet，其余類推。

由于功率運放的VOS已和Vsample可比，因此一般不推薦單獨使用。

一般而言，依照運放自身的設(shè)計原則，運放輸出電流應(yīng)盡量控制在1mA以內(nèi)，否則：

1. 加上自身偏置電流，運放可能發(fā)熱，造成輸出漂移。

2. 由于集電極/發(fā)射極串聯(lián)電阻的作用，大電流輸出造成運放輸出級狀態(tài)不佳，主要是VCE過低，IC過大，造成電流增益下降，具體參見任意NPN/PNP datasheet中的輸出特性曲線。

3. 加重中間級負載，造成運放對高頻大信號的響應(yīng)能力下降。

對于大于1mA的電流，應(yīng)該擴流。

圖9

擴流方法很多，最常見方法如下：

1. 使用現(xiàn)成的單位增益緩沖器：

例如LT1010，最大輸出150mA。

2. 參照運放內(nèi)部電路：

擴流最簡單的辦法是共集電級乙類推挽輸出級，就是NPN和PNP構(gòu)成的射隨器組合，對于20V/100mA而言須選擇10W左右的中功率管。實際是第一種方法的簡化方法。

3. 使用具有電壓增益的功率運放電路擴流：

這是一種豪華的方法，具有相當好的動態(tài)性能，很多Agilent高級系統(tǒng)儀器均采用這種方法，當然功率運放是分立的。由于擴流電路具有電壓增益，因此對運放的SR要求降低，整體電路的直流性能決定于運放，克服了功率運放的VOS問題。但這種電路調(diào)試比較麻煩，容易振蕩，需要設(shè)計者經(jīng)驗豐富。

顯見，考慮性價比，如果只考慮將電流源作為穩(wěn)定驅(qū)動，而不考慮動態(tài)性能(例如脈沖電流源)，第2種方法是相當好的選擇。

一定有人推薦，最好使用甲乙類輸出以避免交越失真，也可，但對直流源實無必要。

圖10

上述電路都可工作于I、II、III、IV象限。針對一般的用途，事實上需要四象限均可工作的電流源的場合非常少，通常只需I象限工作即可(Io》0、Vo》0)，如果不考慮動態(tài)性能，可將推挽輸出級PNP一側(cè)去掉，簡化為單臂輸出。

這次的簡化犧牲了輸出電流下降沿性能，但對于直流穩(wěn)定源無大礙。

壇友可參考Agilent 36xx系列用戶手冊，下降沿和上升沿響應(yīng)速率的巨大差異。36xx均為單臂電源。

圖11

圖中運放使用了雙電源。運放可單電源也可雙電源工作，推薦使用雙電源，原因如下：

1. Aopen(Vin+-Vin-)=Vo是運放的基本公式，通常認為Aopen無窮大，但實際運放最高不過140dB(icl7650)，有的運放甚至只有幾千(TL061)。

變換公式得到(Vin+-Vin-)=Vo/Aopen，一定記住，其中所有的電壓都是以雙電源中點為參考地。而(Vin+-Vin-)就是運放誤差。

單電源工作時，Vo=1/2Vcc時才能達到誤差最小，雙電源工作時Vo=1/2(Vcc-Vee)=0時誤差最低，相對而言，后者更好把握，此問題在后面有實際應(yīng)用方法解決。

2. 即使軌到軌運放也無法達到輸入/輸出絕對到軌，因此需要輸入/輸出為0時會出一些令人煩惱的問題，使用雙電源可避免這些問題，從而集中精力考慮重點。

還存在的一些問題：

電路基本成型了，還有什么問題?

一般而言，設(shè)計到這個地步，設(shè)計工作可到一段落。然而仔細分析，仍有不甚完美之處。

普及知識：電流源和電壓源都是互補對應(yīng)的。首先看看電壓源：

1. 對電容性負載敏感，對電感比較無所謂。

2. 有最大電流限制，短路時輸出電流受電壓源的電源的電流能力限制。

3. 負載并聯(lián)在輸出端和地之間。

對應(yīng)于電流源：

1. 對電感性負載敏感，對電容比較無所謂

2. 有最大電壓限制，開路時輸出電壓受電流源的電源的電壓能力限制。

3. 。。。

第3點是個問題，已經(jīng)得到的電流源的負載接在輸出端和采樣電阻之間，而且參與反饋，因而造成如下問題。

1. 負載調(diào)節(jié)率

試想負載的變化范圍由0—100 Ohm，運放輸出端電壓需要在1到10V之間變化，根據(jù)前面運放誤差分析，10V與1V對應(yīng)的(Vin+-Vin-)相差10倍。如果運放為TL061(Aopen=6000)，輸入誤差在1V/6000—10V/6000之間變化，即0.16mV—1.6mV，對應(yīng)Vsample=300mV的情況，電流誤差為0.05%—0.5%，因此0—100 Ohm范圍內(nèi)的負載調(diào)整率為0.45%，很可觀。通常的商品電源負載調(diào)整率不會超過0.01%。

當然換好一點的運放，例如OP07(增益1000000)，會好的多，負載調(diào)整率為0.003%。基本可以忽略。

然而，如果可以用好一些，就盡量用好一些。即使是便宜的OP07，也盡量發(fā)揮出它應(yīng)有的指標。

為何要一味追求負載調(diào)整率，其實負載調(diào)整率對應(yīng)的就是電流源的并聯(lián)內(nèi)阻，負載調(diào)整率越小，并聯(lián)內(nèi)阻越高，其分流越小，電流源性能越好。

對應(yīng)于電壓源，負載調(diào)整率對應(yīng)的是電壓源的串聯(lián)內(nèi)阻，負載調(diào)整率越小，串聯(lián)內(nèi)阻越小，其分壓越小，電壓源性能越好。

2. 輸出電壓無法達到20V

老實話，為什么命題選擇20V，就是要在這里說明問題。大多數(shù)的運放雙電源時推薦最大電源電壓為+/-15V，當然也有OP07(極限+/-22V)家族可以到達+/-20V。

即使使用OP07，在+/-20V下工作，輸出最高電壓不過+/-18V，因此NPN的E，即電流源輸出端的最高電壓為17.4V，算上Vsample=300mV，電流源能達到的輸出電壓為17.1V。況且中功率NPN的電流增益不過幾十，因此一定會使用達林頓組態(tài)，減小運放負載，又會去掉0.6V，最高輸出電壓壓縮到16.5V。

當然，會有建議采用非對稱雙電源，例如+30V -5V，可使輸出電壓達到20V以上。

如果不得已，這樣的配置是可用的。然而基于以下的原因：

(1)如果Vin+端電壓很接近0V，運放輸入級晶體管會工作在不太舒服的狀態(tài)，VCE過小，導致電流增益下降，造成運放Aopen下降和輸入偏流增大。

(2)Aopen下降也會造成負載調(diào)節(jié)率指標下降。

一般不推薦相差懸殊的非對稱雙電源應(yīng)用。單電源是非對稱雙電源的極端，因此與雙電源相比性能會打很大折扣。這就是為什么早期的運放均不推薦單電源的原因。但手持設(shè)備的出現(xiàn)對單電源應(yīng)用有巨大促進作用，現(xiàn)代單電源運放作過很大改進，例如軌到軌，但價格也高得多，在不損失其他性能的前提下，價格通常是普通運放的幾倍。

對于上述問題，這個電流源的架構(gòu)無法確切的完全的解決，必須改變架構(gòu)。

利用三極管的鏡像原理(IB約等于0，IC=IE)，可將負載請出反饋回路，移到電源和C之間，也就達到了與電壓源的對應(yīng)：“負載串聯(lián)在輸出端和電源之間”。

圖12