电流源设计小Tips(二):如何解决运放振荡问题

2013-05-04 18:25:46来源: 互联网
对于工程师来说,电流源是个不可或缺的仪器,也有很多人想做一个合用的电流源,而应用开源套件,就只是用一整套的PCB,元件,程序等成套产品,参与者只需要将套件的东西焊接好,调试一下就可以了,这里面的技术含量能有多高,而我们能从中学到的技术又能有多少呢?本文只是从讲述原理出发,指导大家做个人人能掌控的电流源。本文主要就是设计到模拟部分的内容,而基本不涉及单片机,希望朋友能够从中学到点知识。上次讲到《电流源设计小Tips(一):如何选择合适的运放》,今天接下来看其它部分的学习。

  加速补偿——校正Aopen

  校正Aopen是补偿的最佳方法,简单的Aopen补偿会起到1/F补偿难以达到的效果,但并非解决一切问题。

  如果振荡由于po位于0dB线之上造成,可想到的第一办法是去掉po。

  去掉极点作用的基本方法是引入零点。

  引入零点的最佳位置为Ro,Ro上并联电容Cs可为MOSFET输入端引入一个零点zo。

  但Ro是运放内部电阻,无法操作,因此在Ro后添加一只电阻Rs,并将Cs与Rs并联。

  

  如果Rs》Ro,则可基本忽略Ro的作用。

  增加Rs和Cs后,会使MOSFET输入端的极点po和零点zo频率分别为:

  po=1/2pi(Cs+Cgs)Rs,zo=1/2piCsRs。

  如果Cs》Cgs,则原有的极点po=1/2piRoCs由高频段移至低频段,频率由Cs、Cgs和Rs决定,而非Cgs和Ro决定,新引入的零点zo也在低频段并与po基本重合,两者频率差由Cgs与Cs的比例决定,因而很小。

  通常Rs=2k-5kOhm,Cs=0.01-0.1uF。

  

  Rs和Cs将原有极点po移至低频段并通过zo去除。像极了chopper运放里通过采样将1/f噪声量化到高频段后滤除。很多不沾边的方法思路都是相通的。

  由瞬态方法分析,Cs两端电压不可突变,因此运放输出电压的变化会迅速反应到栅极,即Cs使为Cgs充电的电流相位超前pi/2。因此Cs起到加速电容作用,其补偿称为加速补偿或超前补偿。

  很多类似电路里在Rs//Cs之后会串联一只小电阻,约100 Ohm,再稍适调整零点和极点位置,此处不必再加,那个忽略的Ro很合适。

  看个范例,Agilent 36xx系列的MOSFET输入级处理,由于PNP内阻很小,至少比运放低得多,因此后面有一只R42=100 Ohm。

  

  在此之前,如果看到C49和R39,恐怕很多坛友会很难理解其作用,然而这也正是体现模拟电路设计水平之处。有人感叹36xx系列电路的复杂,然而内行看门道,其实真正吃功夫的地方恰在几只便宜的0805电阻和电容上,而非那些一眼即可看出的LM399、AD712之类的昂贵元件。

  后面两节里还会出现几只类似的元件,合计成本0.20元之内。

  本次增加成本:

  3.9k Ohm电阻 1只 单价0.01元,合计0.01元

  0.1uF/50V电容 1只 单价0.03元,合计0.03元

  合计0.04元

  合计成本:9.46元
潜在的振荡:运放的高频主极点pH

  通过加速补偿,由Cgs造成的极点作用基本消除。

  然而,0dB线附近还有一个极点——运放的高频主极点pH。

  事实上,就纯粹的运放而言,pH只在0dB线之下不远的位置。与po类似,由于gmRsample的增益作用,pH也有可能浮出0dB线,从而使Aopen与1/F的交点斜率差为40dB/DEC,引起振荡。

  pH的位置比po低,因此gmRsample的增益必须更高才能使电路由于pH而产生振荡,然而gmRsample由于datasheet中没有完整参数,实际上只能大致预测而无法精确计算。因此必须采取一定措施避免pH的作用。

  如前所述,零点可以矫正极点的作用,但有一个条件,除非将零点/极点频率降得很低或升得很高,使其位于远离1/F的位置。

  pH距离0dB线过于近,而且是运放的固有极点,想通过前面类似的方法转移极点位置很不容易。

  如果1/F的位置改变,远离pH,就能轻易解决pH的烦恼。然而1/F决定了电路的输出电流,不能随意更改。

  但如果1/F的DC值不变而高频有所提升,应该可以——这就是噪声增益补偿。

  噪声增益补偿方法来自反向放大器,使用RC串联网络连接在Vin+和Vin-之间。这种方法不建议用在同向放大器,但也不是绝对不可以,只需将RC串联网络的Vin+端接地,并在Rsample上的电压反馈到Vin-之前串联电阻RF即可。

  

  这个电路在功放里很常见,目的是降低DC误差,但不影响高频响应。此处的作用在于为反馈系数F提供一对极点/零点,从而使F的高频响应降低,即1/F的高频响应增强,实质上使F成为一个低通滤波器,对应1/F为高通滤波器。

  

  F中的极点和零点在1/F中相对应为零点zc和极点pc,zc=1/2pi(RF+Rc)Cc,pc=1/2piRcCc,两者之间的增益差为1+RF/Rc,从而使pc之后的1/F提升了1+RF/Rc,使1/F远离pH。

  显然,1+RF/Rc越大,zc和pc频率越低,1/F越远离pH,系统越稳定,但也会出现致命的问题——瞬态性能下降。

  如果电流源输入端施加阶跃激励,电流源系统输出端会产生明显的过冲振荡,而后在几个振荡周期后进入稳态。

  原因在于阶跃激励使运放迅速动作,MOSFET栅极电压迅速增大,输出电流Io增大,但体现在Rsample上的采样电压IoRsample受到噪声增益补偿网络F的低通作用,向运放隐瞒了IoRsample迅速上升的事实,即反馈到Vin-的电压无法体现运放的输出动作,从而造成超调振荡。

  虽然超调振荡不是致命的,由于足够的阻尼作用,它总会进入稳态,但超调造成的输出电流冲击却很容易摧毁脆弱的负载,因此仍然不能容忍。

  适可而止,如果1+RF/Rc=2,就给gm的增大提供2倍空间,考虑稍适过补偿原则,1+RF/Rc取3是合理的,对应产生3倍gm变化的电流增量至少需要10倍,足矣。

  即使如此,阶跃响应仍有一些很小的过冲,将在后面解决。

  直流性能是不受影响的。

  实际RF=1k Ohm,Rc=470 Ohm,Cc=0.1uF,zc=1kHz/0dB,pc=3kHz/9.5dB。

  (补充:上一节中的Rs=3.9k Ohm,Cs=0.1uF,po=400Hz,zo=400Hz,由于无法编辑,补充于此)

  本次增加成本:

  1k Ohm电阻 1只 单价0.01元,合计0.01元

  470 Ohm电阻 1只 单价0.01元,合计0.01元

  0.1uF/50V电容 1只 单价0.03元,合计0.03元

  合计0.05元

  合计成本:9.51元
第二个输入端

  将之前的补偿元件添加进基础电路,并标注完整的电源。

  

  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

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关键字:电流源设计  运放  振荡

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0504/article_18277.html
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