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电流源设计小Tips(二):如何解决运放振荡问题(2)

电流源设计小Tips(二):如何解决运放振荡问题(2)

看似只有一个输入端Vin,但有前提条件——理想电源。
此电路共有5个输入端,Vin、Vcc、Vee、Vp和GND。
1. Vin为设定输入端,自然希望所有系统输出都只与其相关。
2. Vcc和Vee为运放电源。通常运放只需要5mA以内的偏流,因此只需滤波电容大于100uF既可限制纹波在可容忍的范围内,况且Vcc和Vee一般会有78xx稳压,78xx的纹波抑制能力不低于100倍即40dB,运放本身的电源抑制比至少80dB,因此Vcc和Vee的小幅变化对系统的影响基本可以忽略,即Vcc和Vee可视为理想电源。
3. GND也是输入端?不错,除非铜的电阻率为0,否则地阻抗会起作用。如果PCB严格一点接地,由于地阻抗造成的问题基本不用考虑。否则,PCB设计不合格。
还剩下一个Vp,虽然Vp也可由78xx得到,稳压前还可用大电容滤波,但MOSFET是没有电源抑制能力的,因此Vp的波动会通过影响输出电流(一定频率下,系统调整能力是有限的)直接作用在Rsample上,并反应在运放输入端Vin-。
100mA的电源的纹波问题是容易处理的,如果电流达到A_级别以上,很少有便宜的稳压IC可以处理,虽然LT108x能达到5A,但是在Vdrop不大的情况下,如果Vdrop=3V,一般的小散热器就会力不从心,5A只是瞬间电流储备能力,不推荐连续使用。因此A_级别以上的电源大多直接整流滤波得到,纹波不可小视。虽然理论上2000uF/A的滤波电容已足够抑制纹波,但那是在变压器内阻极低的前提下。更大电流的电源很多由可控硅调压得到,那个纹波就更厉害,即使滤波电容很大,纹波仍可由示波器清晰看到。
如果Vp由开关电源提供,开关电源工作频率附近的噪声将作为输入信号进入电路。
如果纹波频率很低,例如100Hz,系统在此频率完全可以应对,但Vp引入的信号(纹波和噪声)通常不是正弦波,而是非对称三角波,上升沿和下降沿分别为电容充电和放电曲线的一部分,富含谐波,而且谐波频率很高,但幅度逐次衰减。开关电源更是如此,由于其工作频率很高,纹波基波幅度已经很大,因此可能造成更显著的问题。
纹波或其某个谐波通过Vp进入电路后,如果系统在此频率上调整能力有限,将造成输出电流波动(系统无法以足够的速率相应反向调整),并反应在Rsample上,进入Vin-。运放随即调整输出端,但能力有限,输出端尚未调整好,纹波的幅度和相位就可能发生变化,再次通过Rsample反馈到Vin-就可能出现相位裕量不足的情况,从而诱发振荡。
由电路理论出发,如果系统在某个频率上控制能力(带宽)不足,则无法抑制此频率上的电源波动影响。因此要么提高系统带宽,要么改善电源质量。
然而,对于恒流电子负载而言,原则上要面对各种电压源Vp,而且大多数是作为中间产品的实验源,性能参差,纹波水平各异。改善电源质量基本是句空话。提高系统带宽对于稳恒用途又实在意义不大,而且造成成本陡增。
还有一种消极但便宜而且适应性强的处理办法,使运放无法看到高频率的纹波,即积分补偿。
在运放Vin-和输出端之间添加Rm、Cm串联网络,使Rsample上的电压进入Vin-之前由RF、Rm和Cm进行积分滤波,使输出电流中高次谐波成分无法(或大部分无法)进入运放。对于电子负载,积分补偿更为重要。


由于RF、Rm和Cm构成积分器,因而称为积分补偿。积分补偿的0dB频率fi0dB由RF和Cm决定fi0dB=1/2piRFCm。
大于0dB频率的纹波成分受到衰减,直至达到Rm和Cm确定的回转(零点)频率fiz=1/2piRmCm。回转的作用在于不过分降低系统对高频的反应能力。
0dB频率至少应低于诱发振荡的纹波频率10倍,已达有效衰减。


很多电路不使用Rm,即没有回转频率。那一定有Cm很小(100pF左右)的前提,否则如果Cm很大,积分频响曲线在高频段衰减过于严重,将造成系统高频控制力下降。对于Vp性能不太好的情况,Cm可能取值很大,因此Rm是必要的。
显然,积分器0dB频率越低,系统越稳定,但也会由于Rm、Cm和Rc、Cc构成的局部反馈使系统瞬态性能降低,因此适可而止。
积分补偿没有固定的经验值,如果Vp质量较好,Cm甚至可以降至22pF,反之,如果Vp质量很差(例如电子负载通常见到的情况),Cm可增大至1uF。
此外Cm的选择还与运放GBW有关,GBW越高(当然要有频率足够高的MOSFET配合),系统对于高频的控制能力越强,Cm可越小。
Rm决定回转频率,通常回转频率高于0dB频率10倍以上,因此Rm大致为1/10RF=100 Ohm。
因此,如果可能,一定首先改善Vp质量。
好在本次只做100mA的电流源,一个7824或LM317就搞定了。在此情况下Cm=1000pF足矣。fi0dB=160kHz,fiz=1.6MHz,160kHz频率以上由Vp造成的电流纹波/噪声可由输出减振器网络消除。
本次增加成本:
100 Ohm电阻 1只 单价0.01元,合计0.01元
1000pF/50V电容 1只 单价0.03元,合计0.03元
合计0.04元
合计成本:9.55元
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