電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放(2)

此時，運放輸出端電壓基本控制在0.6—0.9V之間，即使TL061也可達到0.016%，OP07更可達到0.0001%。

如果將運放電源VCC與連接負載的電源VP分開，連接負載的電源VP為24V，電流源的輸出電壓便可達到20V以上。

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

NS有個電路避免了這個問題，使用JFET與NPN構成一個無需電流驅動的達林頓組態。

圖13

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

圖14

MOSFET不需要穩定的電流驅動，因此IG造成的Vsample誤差基本可以忽略，ID=IS，一個近乎完美的鏡像。

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

本次增加成本：

IRF530 1只 單價3.00元，合計3.00元

合計成本：6.20元

如何選擇合適的運放：

選擇運放依據需求，每一種運放都有適合的用途，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下，誤差源Vin+-Vin-應小于Vsample的0.01%=30uV。

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

3. 穩定電流輸出，不考慮脈沖性能，即可適當放寬階躍響應要求。

4. 低噪聲。

5. 價格越低越好。

這是工程上考慮問題的思路，范圍由寬至窄逐級選擇：

1. 之前的負載調整率的計算表明，Aopen越大，Vin+-Vin-越小，很高的Aopen是精密運放的典型特征，通常Aopen》120dB=1000000，可用的運放為：

OP07家族，包括OP07/27/37/177/A277/227。

常見的運放如LM358/324、TL061/071/081、LF356/357/347等均不屬于精密運放，暫不使用。

2. 精密運放的VOS通常很小，小于1mV，VOS/dT也很小，小于2uV/C，以OP07為例，VOS/dTmax=1.6uV/C，+/-10C變化+/-16uV，滿足需求。

一定會問：為什么不用VOS/dT典型值計算(即使LM324也很小)，而用最大值?

圖15

工程設計原則而言是冗余量，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的測量電路與實際應用電路不同，因此典型值只能作為參考，而非標準。選擇運放時一定要看指標的最寬泛范圍。實際上最大值也只能作為參考，但由于沒有其他電路形式的數據支持(事實上不可操作)，只能用最大值做計算依據。

OP07家族都沒有什么問題，高Aopen和低VOS、VOS/dT總是一起出現，就像電阻的高準確度和低溫漂總是一起出現。

OP07家族的單運放還有一個額外的好處，可以調零。

3. 不考慮階躍響應上升沿質量時，無需運放在高頻率的增益很大，對于穩定源，運放GBW大致1MHz上下即可。運放后面的IRF530也非高頻率器件，因此選擇GBW很大的運放很浪費，而且將來的頻率補償會相當麻煩。當然，如果要求電流源工作在脈沖狀態(很多半導體測量系統為避免發熱而必須采用的方式)，可相應更換運放和MOSFET。

OP07家族里的OP27/37都是寬帶的，暫不考慮。(指標過高，很好很好的運放，OP37簡直是曠世杰作)

OP07/177/OPA277都是1MHz左右的運放。

4. OP07家族噪聲足夠低。

5. 這個問題總是很棘手，但OP07很合適，物美價廉嘛。177也很好，不太貴，OPA277比較貴，但VOS/dT很低，留作備選。

還有一種精密運放例如icl7650，斬波穩零，原文是chopper amp。

有一些噪聲，但不大，更好的chopper amp會通過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，既然電流源架構并不要求運放輸出動態，也可。

最主要的VOS/dT理論上為0，實際上是長期漂移，由開關長期的性能不一致性造成。

但這種運放一旦飽和，很難快速恢復，這是個重大缺點。而且很貴。

暫選OP07CP，運放總是有過多的選擇，眼花繚亂。所以多數設計者總會用最熟悉的型號，而不求新。

由于電流源里只有1個運放，因此零漂都由運放而來，正好是OP07調零電路最合適應用的場合。

調零電路參見OP07 datasheet，需要做適當改進，將20k電位器拆分為9.1k+2k電位器+9.1k，提高調整精度。

圖16

本次增加成本

OP07CP 1只 單價1.20元，合計1.20元

9.1k Ohm電阻 2只 單價0.01元，合計0.02元

2k Bouns 10圈精密微調3296電位器 1只 單價2.00元，合計2.00元。

合計3.22元

合計成本：9.42元

如何解決振蕩問題：

相信還沒有人動手，最好已經搭好了上面提到的電路。然而卻發現根本不能用，不是上來就振，就是電流一大就開始振。

一頭霧水，反饋看似是負反饋，而且用NPN就基本不會振，很奇怪，也很氣憤，因為沒有辦法，也沒有思路。

這是負反饋的固有問題，凡負反饋都有機會振蕩，只要相位出問題。

然而，還有一句話，凡負反饋的振蕩問題都可解決。先吃一顆定心丸。

解決振蕩問題就是剪裁頻率響應曲線的過程。因此必須首先得到開環增益Aopen和反饋系數F的頻率響應。

反饋系數F就是1，在波特圖上是0dB線。

開環增益Aopen麻煩一點，根據39樓電路，首先畫出小信號等效電路。

開環分為三部分：

1. 運放

2. MOSFET輸入

3. MOSFET輸出

圖17

這個電路的傳遞函數由于Cgs不接地并且與壓控電流源gmVgs耦合而不太好算，在學校帶畢設的時候曾經讓一個學生推過一次，就是不知道二極管符號幾個三角的學生。他很嚴謹而且敬業，不僅推出來還檢查了三遍，交給學校培養真是浪費了。

傳遞函數算出來是一個一寸高兩寸寬的拉普拉斯變換，實在沒有時間再推一遍，不過如果忽略某些不太重要的量，由于Rsample很小，而與Cgs接地時差不太多。

圖18

運放之后的Ro是運放的輸出電阻，即運放輸出級的限流電阻，大致在200 Ohm左右。可以由以下方法大致推出：

非規到軌運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比較復雜，按datasheet上的說明，Ciss=760pF@Vgs=0/VDS=25V，但VDS減小和Vgs增大會使Ciss增大到約1000pF。

圖19

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