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電流源設計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

作者: 時間:2013-05-04 來源:網絡 收藏
宜的穩壓IC可以處理,雖然LT108x能達到5A,但是在Vdrop不大的情況下,如果Vdrop=3V,一般的小散熱器就會力不從心,5A只是瞬間電流儲備能力,不推薦連續使用。因此A_級別以上的電源大多直接整流濾波得到,紋波不可小視。雖然理論上2000uF/A的濾波電容已足夠抑制紋波,但那是在變壓器內阻極低的前提下。更大電流的電源很多由可控硅調壓得到,那個紋波就更厲害,即使濾波電容很大,紋波仍可由示波器清晰看到。

  如果Vp由開關電源提供,開關電源工作頻率附近的噪聲將作為輸入信號進入電路。

  如果紋波頻率很低,例如100Hz,系統在此頻率完全可以應對,但Vp引入的信號(紋波和噪聲)通常不是正弦波,而是非對稱三角波,上升沿和下降沿分別為電容充電和放電曲線的一部分,富含諧波,而且諧波頻率很高,但幅度逐次衰減。開關電源更是如此,由于其工作頻率很高,紋波基波幅度已經很大,因此可能造成更顯著的問題。

  紋波或其某個諧波通過Vp進入電路后,如果系統在此頻率上調整能力有限,將造成輸出電流波動(系統無法以足夠的速率相應反向調整),并反應在Rsample上,進入Vin-。隨即調整輸出端,但能力有限,輸出端尚未調整好,紋波的幅度和相位就可能發生變化,再次通過Rsample反饋到Vin-就可能出現相位裕量不足的情況,從而誘發

  由電路理論出發,如果系統在某個頻率上控制能力(帶寬)不足,則無法抑制此頻率上的電源波動影響。因此要么提高系統帶寬,要么改善電源質量。

  然而,對于恒流電子負載而言,原則上要面對各種電壓源Vp,而且大多數是作為中間產品的實驗源,性能參差,紋波水平各異。改善電源質量基本是句空話。提高系統帶寬對于穩恒用途又實在意義不大,而且造成成本陡增。

  還有一種消極但便宜而且適應性強的處理辦法,使無法看到高頻率的紋波,即積分補償。

  在Vin-和輸出端之間添加Rm、Cm串聯網絡,使Rsample上的電壓進入Vin-之前由RF、Rm和Cm進行積分濾波,使輸出電流中高次諧波成分無法(或大部分無法)進入運放。對于電子負載,積分補償更為重要。

  電流源設計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

  由于RF、Rm和Cm構成積分器,因而稱為積分補償。積分補償的0dB頻率fi0dB由RF和Cm決定fi0dB=1/2piRFCm。

  大于0dB頻率的紋波成分受到衰減,直至達到Rm和Cm確定的回轉(零點)頻率fiz=1/2piRmCm。回轉的作用在于不過分降低系統對高頻的反應能力。

  0dB頻率至少應低于誘發的紋波頻率10倍,已達有效衰減。

  電流源設計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

  很多電路不使用Rm,即沒有回轉頻率。那一定有Cm很小(100pF左右)的前提,否則如果Cm很大,積分頻響曲線在高頻段衰減過于嚴重,將造成系統高頻控制力下降。對于Vp性能不太好的情況,Cm可能取值很大,因此Rm是必要的。

  顯然,積分器0dB頻率越低,系統越穩定,但也會由于Rm、Cm和Rc、Cc構成的局部反饋使系統瞬態性能降低,因此適可而止。

  積分補償沒有固定的經驗值,如果Vp質量較好,Cm甚至可以降至22pF,反之,如果Vp質量很差(例如電子負載通常見到的情況),Cm可增大至1uF。

  此外Cm的選擇還與運放GBW有關,GBW越高(當然要有頻率足夠高的MOSFET配合),系統對于高頻的控制能力越強,Cm可越小。

  Rm決定回轉頻率,通常回轉頻率高于0dB頻率10倍以上,因此Rm大致為1/10RF=100 Ohm。

  因此,如果可能,一定首先改善Vp質量。

  好在本次只做100mA的電流源,一個7824或LM317就搞定了。在此情況下Cm=1000pF足矣。fi0dB=160kHz,fiz=1.6MHz,160kHz頻率以上由Vp造成的電流紋波/噪聲可由輸出減振器網絡消除。

  本次增加成本:

  100 Ohm電阻 1只 單價0.01元,合計0.01元

  1000pF/50V電容 1只 單價0.03元,合計0.03元

  合計0.04元

  合計成本:9.55元

  題外話:

  Rm、Cm、Rc和Cc構成的局部反饋問題至今懸而未決,用拉普拉斯變換,無論如何計算,運放開環直流增益都會下降至(Cs+Cm)/Cm,但實際上直流時電容是開路,運放開環直流增益不受影響。

  電流源設計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

  也許是拉普拉斯變換對直流力不從心,細細想來,倒是一個簡單的問題,1/0不是無窮大,而是沒有意義。

  考慮以下的電路,Vin為直流電壓,Vout是多少呢?如果用容抗計算Vout=1/2Vin,但實際上Vout=任意值。因為直流下電容沒有容抗概念。

  電流源設計小Tips(二):如何解決運放振蕩問題

避免輕微的超調過沖和常規電壓接口

  由于噪聲增益補償的問題,電流源在階躍激勵下會有輕微的超調過沖,稍嚴重一點兒在示波器上能看到逐漸衰減的超調

  雖然不嚴重,但追求完美即完善細節,盡量做得比對手好一點。

  如果電流源看不到陡峭的上升沿,也就不存在這個問題了。

  蒙蔽它。只需一個低通濾波器。

  恰好正需要一個常規電壓接口,0—0.3V估計不是標準的電壓,標準電壓一般都是2.5V/5V(DAC、基準)或7V(更好的基準)。

  電阻分壓降壓即可,以2.5V為例。

  (2.5/0.3)-1=7.33,如果對地電阻R4為3.3k Ohm,水平電阻為24.2k Ohm,其中設置微調R2=5k Ohm + R3=500 Ohm電位器,固定電阻R1取值22k Ohm。

  對地電阻并電容C1,獲得低通濾波器,轉折頻率f=1/2piC1(R4//(R1+R2+R3))《zc=1kHz,C1》0.054uF,實際取0.1uF。

  R1和R4影響電流源的溫度性能,因此必須使用低溫漂電阻。

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  此時Iin的影響就應降至最低。

  本次增加成本:

  22k Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 1只 單價0.50元,合計0.50元。

  3.3k Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 1只 單價0.50元,合計0.50元。

  5k Bouns 10圈精密微調3296電位器 1只 單價2.00元,合計2.00元

  500 Ohm Bouns 10圈精密微調3296電位器 1只 單價2.00元,合計2.00元

  0.1uF/50V電容 1只 單價0.03元,合計0.03元

  合計5.03元

  合計成本14.58元

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