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        電流源設計小Tips(一):如何選擇合適的運放(2)

        作者: 時間:2013-08-16 來源:網絡 收藏

        gm是個問題,雖然可以查到gm,大致為7@Id=8A/VDS=50V,但實際用在Id=100mA/VDS《20V,根據datasheet中的輸出特性曲線可以看到在飽和區gm隨Id減小而減小,與VDS關系不大,在可變電阻區,gm隨Id和VDS減小而明顯減小。gm在Id很小時大致在1-3左右。暫取2。

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        圖20

        gm也有轉折頻率,最終產生fT,但這個參數很難得到,因為大多數功率MOSFET都是用在開關狀態,而且gmDC隨偏置變化很大,因此datasheet里通常不給出,但由導通時間,Ciss,Coss和Crss可大致推出gm的fT很高,除以gmDC即為轉折頻率,很高,大致在10MHz左右。已遠遠超出OP07的可操作范圍,因此忽略,認為gm是不隨頻率變化的水平直線。

        也可看出為什么之前不用OP37的原因,因為gm的轉折頻率恰好在OP37的操作頻率范圍內,從而造成頻率補償復雜度增加。

        分析Aopen之一:運放的主極點

        運放是多零極點系統,但一般都具有2個主極點,低頻主極點,靠近DC,高頻主極點,靠近GBW。圖為OP07的開環增益頻響曲線。

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        圖21

        2個主極點中,高頻主極點通常不受重視,因為大多數運放的高頻主極點都在0dB線以下,即單位增益穩定。反饋環路中只有1只運放時很少遇到增益小于1的情況。因此很多運放datasheet中高頻主極點都不標出。

        考慮運放與10倍理想增益級級聯(有時是必須的),這個高頻主極點就會浮出水面,如果閉環增益為1,便會產生振蕩。

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        圖22

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        圖23

        分析Aopen之二:MOSFET和Rsample

        如前所述,MOSFET分為輸入和輸出兩部分,通過合理簡化,輸入的Cgs接地。

        應該感謝輸入輸出功率隔離的設計方法,不知是誰先造出了電子管,否則這部分分析會相當復雜。

        1. 輸入部分

        輸入部分由Ro=200 Ohm和Cgs=1000pF構成低通濾波器,并產生一個極點po。低頻增益為0dB,產生轉折頻率的極點po位于約800kHz。正好落在OP07 0dB以上的頻帶范圍內,因此推測與振蕩有關。

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        圖24

        2. 輸出部分

        MOSFET的電流Id=gmVgs流經Rsample產生電壓gmVgsRsample,因此增益為gmRsample。由于gm的轉折頻率很高,Rsample在低頻下為理想電阻,因此gmRsample的頻率響應為平行于0dB線的直線。

        電流源輸出電流很小時,gm接近于0,因此gmRsample位于0dB線以下很低的位置。輸出電流增大造成gm增大,gmRsample不斷上移,直至最大電流時,gm=2s,Rsample=3 Ohm,gmRsample=6,移至0dB線以上。

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        圖25

        兩部分級聯后,增益相乘,波特圖上增益相加,如下圖:

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        圖26

        此時如果gmRsample》1,極點po在0dB線之上,反之則在0dB線之下。

        一旦po高于0dB線,而1/F=1(0dB)且運放自身Aopen在此頻率附近有-20dB/DEC的斜率,則po之后斜率將達到-40dB/DEC,可能產生振蕩。

        因此推論振蕩的產生應與Ro、Cgs、gm和Rsample均相關。

        分析Aopen之三:為何振蕩

        將運放、MOSFET和Rsample構成的傳遞函數級聯,得到下圖的完整開環增益Aopen:

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        圖27

        Aopen具有3個主極點,分別為:

        1. 運放低頻主極點pL

        2. MOSFET輸入電容造成的極點po

        3. 運放高頻主極點pH

        gmRsample《1時,po在0dB線之下,系統穩定。

        gmRsample》1時,po在0dB線之上,系統振蕩。

        gmRsample=1時,po=0dB,系統處于臨界狀態。

        此問題的原因說來簡單:

        gm與電流Id息息相關,gm隨Id的增大而增大,因此gmRsample

        可能由《1變化至》1,使極點po位于0dB線之上,1/F=0dB線與

        Aopen的交點處斜率差為40dB/DEC,因此系統振蕩。

        當然,可通過降低Rsample避免振蕩,然而這不是治本的方法,而且會引起成本、噪聲等一系列問題。

        處理振蕩時的一個基本原則,盡量首先剪裁Aopen,而后才是1/F。改變1/F可能造成系統瞬態性能的變化。

        頻率補償是雙刃劍,可能造成系統性能下降,過分的單一補償會造成大量問題。因此應盡量使用多種補償方法,而且每種補償適可而止。

        本次將采用三種補償方法,分別解決三種問題:

        1. 加速補償

        2. 噪聲增益補償

        3. 高頻積分補償

        由于篇幅的原因,第一部分就先說到這里,接下來我會談到加速補償,校正Aopen的問題,敬請留意。

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