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电流源设计小Tips一如何选择合适的运放

发布时间:2020-06-30 18:34:41 阅读: 来源:葡萄酒发酵罐厂家

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。

我这次的目标是搭建一个有基本功能的20V/100mA电流源,它即可固定输出,又可用单片机步进控制。下图是易于实现数控的直流电流源。假设运放有理想输出能力,如果输出电流100mA,采样电阻Rsample的大小取值有何讲究呢?

图1

如果Rsample过大,将导致:

1. 采样功率过高,对Rsample温度稳定要求高,因而成本呈指数提高。

解释:如果Rsample=1 Ohm,Vsample=1V,Psample=100mW,对于精密应用而言,电阻耗散100mW通常是难以接受的采样功率。

2. RL上的电压动态范围减小,减小RL电阻上限。

但对运放和Vin调理电路的要求相应降低。

如果Rsample过小,将导致运放的种种误差显现:

1. VOS的漂移与Vin可比,造成输出电流误差。

解释:Rsample=0.1 Ohm,Vsample=10mV,如果使用LM324,VOSmax=3mV,潜在直流误差30%;VOS/dTmax=30uV/C,10C温度变化引起潜在误差3%。

2. 电路增益过高,运放噪声放大,RL上电压基本不变,造成RL上的电压噪声增大,导致RL上电流噪声增大。

3. 对运放要求提高,因而成本呈线性提高。

4. 对处理Vin的调理电路要求提高,因而提高成本。

但对Rsample的要求相应降低。

关于如何选择采样电阻:

电流源需要采样电流进行反馈,虽然也有其他方法采样,但最稳定也是最准确的方法仍然是电阻采样。

普及知识:用于采样的电阻功率至少大于采样功率20倍以上,才不致由于发热造成明显的漂移。

继续上次,100mA_级的电流是很常用的电流值,但对于电阻采样而言通常也是比较尴尬的电流值。

A_级的电流通常不要求太高准确度,使用分流器采样为主,只要功率足够即可。

mA/10mA_级的电流相对简单,由于不产生显著的采样功率,因此通常的精密金属膜电阻都可满足要求。

100mA_级的电流不大不小,用分流器没有这么大的阻值,用精密金属膜电阻没有这么大功率。

图2

解决方法:

1. 降低采样电压,使用小阻值

2. 降低采样功率,同功率下,阻值尽量大

看似矛盾,其实很简单,并联多个精密金属膜电阻。

实例:

100mA,采样电阻4只12 Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金属膜电阻并联,等效电阻3 Ohm,采样电压300mV,采样总功率30mW,每只电阻功率7.5mW。

采用这种方法需要在PCB上多下功夫,一定牢记铜也有电阻,而且铜本身可做温度传感器。

通常0.1%的精度不是必要的,但温度漂移一定要小。然而实际电阻产品的精度和漂移基本是对应的,买电阻时除了功率外一定着重询问。

此外,电阻出厂前经过老化最好,无老化的电阻通常便宜一些,但通电后几天内性能多少会有些变化。

本次成本:

12 Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金属膜电阻 4只 单价0.50元,合计2.00元。

注意你的负载之一(电阻):

如果RL是纯电阻,基本可以分为以下2种情况:

1. RL《《Rsample:运放看到的增益约为1,如果运放单位增益不甚稳定,例如LF357,电路可能振荡。

2. 对于某些运放,如LM1875,需要20倍以上增益才可稳定,此时要求RL》=10Rsample。

否则,如下图所示,1/F与Aopen交点斜率差为40dB/DEC,电路将振荡。

为保证足够的相位裕量,通常要求两者交点斜率差最大为20dB/DEC。

图3

然而,源是不能挑选负载的,除非超出源的能力,例如电压源有输出电流限制,而电流源有输出电压限制。

对于第一种情况,通过运放的外部补偿即可消除,由于现代运放都具有0dB稳定性,因此不作为讨论重点。

对于第二种情况,需要在反馈通路引入适当的频率补偿,由于通常补偿元件并联在RL两端,因此称为输出减振器。

对于电阻性负载,输出减振器即电容,通过在反馈回路中引入零点z,从而达到稳定,但将限制反馈系统带宽。

图4

补偿后,如下图所示,1/F与Aopen交点斜率差为20dB/DEC。

图5

零点频率自己计算,很简单。

零点的选择根据运放的Aopen各转折频率点选择。为保证各种负载电阻下均达到稳定,通常零点选在较低频率,将牺牲部分频率响应。

虽然第二种情况很少在实际中应用,例如1875做的电流源温度漂移严重,但作为频率补偿的范例可作为后续的准备知识。

本次增加成本:

50V耐压1uF以下CBB电容 1只 单价1.00元,合计1.00元

合计成本:3.00元

注意你的负载之二(电感)

和化学、物理方法产生的电能不同,依赖反馈理论的电源都会有先天的恐惧症。

与电压源害怕遇到电容性负载类似,电流源遇到电感性负载时也须谨慎处理。

题外话:似乎所有稳压电源都会在输出有电容,与上面的话冲突。其实稳压电源也做过补偿,况且10uF量级的电容以足够大,普通的电压源能量无法带动10uF在特定频率上以很大的幅度振荡,但并非不振只是幅度很小,很像纹波。这就是为什么坛里坛外有些diy电源会产生莫名其妙的“纹波”和“噪声”的原因。

电流源的负载除了电阻和二极管以外,更多的应用就是电感,变压器、螺线管、电磁铁、空心线圈、亥姆霍兹线圈。。。,其中很多电感性负载能达到H级。即使是小的电感,如果要求电流源响应速度很高,也有同样的问题。坛里有同惠的朋友,大家可向他请教,同惠某系列的电流源专为电感偏流的,同时又有很宽的频率响应范围。

RL是有直流电阻的电感,暂用(LL+RL)代替,(LL+RL)会使反馈系数F出现极点pL,对应的1/F出现零点,导致振荡。pL的频率点各位自己计算。

图6

解决的办法还是补偿,只要在反馈系数F上引入一个零点zL,使1/F对应出现一个极点,从而使交点处的1/F曲线斜率为0。

图7

还是在输出减振器上做了文章,但一般不推荐直接用电容,虽然电感内阻已经是一次阻尼,但仍会导致校正后的1/F曲线在LC谐振频率附近莫名其妙。通常的方法要给电容也加一点阻尼,串联一个小电阻R,1—100 Ohm,视实际应用中的频响曲线和C的取值而定。一般而言,10kHz以下的应用C=0.1uF,R=3 Ohm/1W。

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