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            電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放

            作者: 時間:2012-12-20 來源:網(wǎng)絡 收藏
            e="BORDER-BOTTOM: 0px solid; BORDER-LEFT: 0px solid; WIDTH: 600px; HEIGHT: 292px; BORDER-TOP: 0px solid; BORDER-RIGHT: 0px solid" alt="電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放 " src="/uploadfile/dygl//201212/20121220110250650.JPG">

              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品的原因。

              實際的

              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。

              通常的最高能輸出35mA(我見過的,勿疑),而且到達最大輸出電流時,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,依照運放自身的設計原則,運放輸出電流應盡量控制在1mA以內,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能力下降。

              對于大于1mA的電流,應該擴流。

              電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放

              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。但這種電路調試比較麻煩,容易振蕩,需要設計者經(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。

              電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放

              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速率的巨大差異。36xx均為單臂電源。

              電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放

              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,設計到這個地步,設計工作可到一段落。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Vsample=300mV的情況,電流誤差為0.05%—0.5%,因此0—100 Ohm范圍內的負載調整率為0.45%,很可觀。通常的商品電源負載調整率不會超過0.01%。

              當然換好一點的運放,例如OP07(增益1000000),會好的多,負載調整率為0.003%?;究梢院雎浴?/P>

              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)揮出它應有的指標。

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

              對應于電壓源,負載調整率對應的是電壓源的串聯(lián)內阻,負載調整率越小,串聯(lián)內阻越小,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:

             ?。?)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。

             ?。?)Aopen下降也會造成負載調節(jié)率指標下降。

              一般不推薦相差懸殊的非對稱雙電源應用。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。但手持設備的出現(xiàn)對單電源應用有巨大促進作用,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,這個電流源的架構無法確切的完全的解決,必須改變架構。

              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:“負載串聯(lián)在輸出端和電源之間”。

              

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            關鍵詞: 電流源設計 運放

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