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            電流源設(shè)計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

            作者: 時間:2013-05-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
            宜的穩(wěn)壓IC可以處理,雖然LT108x能達到5A,但是在Vdrop不大的情況下,如果Vdrop=3V,一般的小散熱器就會力不從心,5A只是瞬間電流儲備能力,不推薦連續(xù)使用。因此A_級別以上的電源大多直接整流濾波得到,紋波不可小視。雖然理論上2000uF/A的濾波電容已足夠抑制紋波,但那是在變壓器內(nèi)阻極低的前提下。更大電流的電源很多由可控硅調(diào)壓得到,那個紋波就更厲害,即使濾波電容很大,紋波仍可由示波器清晰看到。

              如果Vp由開關(guān)電源提供,開關(guān)電源工作頻率附近的噪聲將作為輸入信號進入電路。

              如果紋波頻率很低,例如100Hz,系統(tǒng)在此頻率完全可以應(yīng)對,但Vp引入的信號(紋波和噪聲)通常不是正弦波,而是非對稱三角波,上升沿和下降沿分別為電容充電和放電曲線的一部分,富含諧波,而且諧波頻率很高,但幅度逐次衰減。開關(guān)電源更是如此,由于其工作頻率很高,紋波基波幅度已經(jīng)很大,因此可能造成更顯著的問題。

              紋波或其某個諧波通過Vp進入電路后,如果系統(tǒng)在此頻率上調(diào)整能力有限,將造成輸出電流波動(系統(tǒng)無法以足夠的速率相應(yīng)反向調(diào)整),并反應(yīng)在Rsample上,進入Vin-。隨即調(diào)整輸出端,但能力有限,輸出端尚未調(diào)整好,紋波的幅度和相位就可能發(fā)生變化,再次通過Rsample反饋到Vin-就可能出現(xiàn)相位裕量不足的情況,從而誘發(fā)。

              由電路理論出發(fā),如果系統(tǒng)在某個頻率上控制能力(帶寬)不足,則無法抑制此頻率上的電源波動影響。因此要么提高系統(tǒng)帶寬,要么改善電源質(zhì)量。

              然而,對于恒流電子負載而言,原則上要面對各種電壓源Vp,而且大多數(shù)是作為中間產(chǎn)品的實驗源,性能參差,紋波水平各異。改善電源質(zhì)量基本是句空話。提高系統(tǒng)帶寬對于穩(wěn)恒用途又實在意義不大,而且造成成本陡增。

              還有一種消極但便宜而且適應(yīng)性強的處理辦法,使無法看到高頻率的紋波,即積分補償。

              在Vin-和輸出端之間添加Rm、Cm串聯(lián)網(wǎng)絡(luò),使Rsample上的電壓進入Vin-之前由RF、Rm和Cm進行積分濾波,使輸出電流中高次諧波成分無法(或大部分無法)進入運放。對于電子負載,積分補償更為重要。

              電流源設(shè)計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

              由于RF、Rm和Cm構(gòu)成積分器,因而稱為積分補償。積分補償?shù)?dB頻率fi0dB由RF和Cm決定fi0dB=1/2piRFCm。

              大于0dB頻率的紋波成分受到衰減,直至達到Rm和Cm確定的回轉(zhuǎn)(零點)頻率fiz=1/2piRmCm?;剞D(zhuǎn)的作用在于不過分降低系統(tǒng)對高頻的反應(yīng)能力。

              0dB頻率至少應(yīng)低于誘發(fā)的紋波頻率10倍,已達有效衰減。

              電流源設(shè)計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

              很多電路不使用Rm,即沒有回轉(zhuǎn)頻率。那一定有Cm很小(100pF左右)的前提,否則如果Cm很大,積分頻響曲線在高頻段衰減過于嚴重,將造成系統(tǒng)高頻控制力下降。對于Vp性能不太好的情況,Cm可能取值很大,因此Rm是必要的。

              顯然,積分器0dB頻率越低,系統(tǒng)越穩(wěn)定,但也會由于Rm、Cm和Rc、Cc構(gòu)成的局部反饋使系統(tǒng)瞬態(tài)性能降低,因此適可而止。

              積分補償沒有固定的經(jīng)驗值,如果Vp質(zhì)量較好,Cm甚至可以降至22pF,反之,如果Vp質(zhì)量很差(例如電子負載通常見到的情況),Cm可增大至1uF。

              此外Cm的選擇還與運放GBW有關(guān),GBW越高(當然要有頻率足夠高的MOSFET配合),系統(tǒng)對于高頻的控制能力越強,Cm可越小。

              Rm決定回轉(zhuǎn)頻率,通?;剞D(zhuǎn)頻率高于0dB頻率10倍以上,因此Rm大致為1/10RF=100 Ohm。

              因此,如果可能,一定首先改善Vp質(zhì)量。

              好在本次只做100mA的電流源,一個7824或LM317就搞定了。在此情況下Cm=1000pF足矣。fi0dB=160kHz,fiz=1.6MHz,160kHz頻率以上由Vp造成的電流紋波/噪聲可由輸出減振器網(wǎng)絡(luò)消除。

              本次增加成本:

              100 Ohm電阻 1只 單價0.01元,合計0.01元

              1000pF/50V電容 1只 單價0.03元,合計0.03元

              合計0.04元

              合計成本:9.55元

              題外話:

              Rm、Cm、Rc和Cc構(gòu)成的局部反饋問題至今懸而未決,用拉普拉斯變換,無論如何計算,運放開環(huán)直流增益都會下降至(Cs+Cm)/Cm,但實際上直流時電容是開路,運放開環(huán)直流增益不受影響。

              電流源設(shè)計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

              也許是拉普拉斯變換對直流力不從心,細細想來,倒是一個簡單的問題,1/0不是無窮大,而是沒有意義。

              考慮以下的電路,Vin為直流電壓,Vout是多少呢?如果用容抗計算Vout=1/2Vin,但實際上Vout=任意值。因為直流下電容沒有容抗概念。

              電流源設(shè)計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

            避免輕微的超調(diào)過沖和常規(guī)電壓接口

              由于噪聲增益補償?shù)膯栴},電流源在階躍激勵下會有輕微的超調(diào)過沖,稍嚴重一點兒在示波器上能看到逐漸衰減的超調(diào)

              雖然不嚴重,但追求完美即完善細節(jié),盡量做得比對手好一點。

              如果電流源看不到陡峭的上升沿,也就不存在這個問題了。

              蒙蔽它。只需一個低通濾波器。

              恰好正需要一個常規(guī)電壓接口,0—0.3V估計不是標準的電壓,標準電壓一般都是2.5V/5V(DAC、基準)或7V(更好的基準)。

              電阻分壓降壓即可,以2.5V為例。

             ?。?.5/0.3)-1=7.33,如果對地電阻R4為3.3k Ohm,水平電阻為24.2k Ohm,其中設(shè)置微調(diào)R2=5k Ohm + R3=500 Ohm電位器,固定電阻R1取值22k Ohm。

              對地電阻并電容C1,獲得低通濾波器,轉(zhuǎn)折頻率f=1/2piC1(R4//(R1+R2+R3))《zc=1kHz,C1》0.054uF,實際取0.1uF。

              R1和R4影響電流源的溫度性能,因此必須使用低溫漂電阻。

              電流源設(shè)計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

              此時Iin的影響就應(yīng)降至最低。

              本次增加成本:

              22k Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 1只 單價0.50元,合計0.50元。

              3.3k Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 1只 單價0.50元,合計0.50元。

              5k Bouns 10圈精密微調(diào)3296電位器 1只 單價2.00元,合計2.00元

              500 Ohm Bouns 10圈精密微調(diào)3296電位器 1只 單價2.00元,合計2.00元

              0.1uF/50V電容 1只 單價0.03元,合計0.03元

              合計5.03元

              合計成本14.58元

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