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电流源设计-1-看到坛子里很多人都要做电流源，本有意推个开源电流源，看了xynn的感叹，深感掌握原理的重要性。此次做个特殊的开源，不出套件，一步一步由基本原理开始，做个人人能掌握的电流源。坛友基本都接触过单片机，但由各贴而论，模拟基础不足。而数控电流源是经典竞赛题，看过很多题解，都是数字花哨，模拟简陋，似乎单片机就能搞一切。其实里面很多内容和细节非常值得注意，几乎用到低频和直流的一切知识。因此此次基本不涉及单片机，只讨论模拟部分。本贴内容每日更新。目标：一个有基本功能的能用的20V/100mA电流源，既可固定输出，又可用单片机步进控制。----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第一部分内容由=1680940&bbs_page_no=1&bbs_id=3044转过来，有部分修改：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？(原文件名:1.jpg)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=1Ohm，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=0.1Ohm，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%。电流源设计-2-2.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。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。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12Ohm0.1%1/4W25ppmmax金属膜电阻并联，等效电阻3Ohm，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：12Ohm0.1%1/4W25ppmmax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.RLRsample：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。电流源设计-3-(原文件名:2.JPG)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。电流源设计-4-(原文件名:3.JPG)补偿后，如下图所示，1/F与Aopen交点斜率差为20dB/DEC。(原文件名:4.JPG)零点频率坛友自己计算，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，电流源设计-5-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。(原文件名:5.JPG)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。电流源设计-6-(原文件名:6.JPG)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—100Ohm，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=3Ohm/1W。(原文件名:7.JPG)很奇怪为什么用1W的电阻，R里通常不走电流，做过音响功放的应该有点体会，这里不再详述。本次增加成本：3Ohm/1W水泥/碳膜/金属膜电阻1只单价0.20元合计0.20元合计成本：3.20元电流源设计-7-负载的问题已经完成，好像还缺电容没有讨论，给个公式CV=It，考虑考虑看。电流源不太怕电容的。这两部分关于负载的问题，大家好像都不太感觉兴趣，与烙铁太远了。其实都是学校里很少见到的，工程上优先考虑的事项。模电老师自己没做过东西的，自然不会给讲这个，这就是为什么学校作品通常很难变成产品的原因实际的运放*******************************************************************************模型说了这么多，还没和实际的沾上边儿，这一部分将考虑实际器件。通常的运放最高能输出35mA（我见过的，勿疑），而且到达最大输出电流时，运放几乎进入饱和状态，已失去大多数可圈可点的性能。当然，功率运放可输出5A以上的电流，但功率运放的直流特性不大好，集中于VOS和dVOS/dT，有兴趣的坛友可查看LM1875的datasheet，其余类推。由于功率运放的VOS已和Vsample可比，因此一般不推荐单独使用。一般而言，依照运放自身的设计原则，运放输出电流应尽量控制在1mA以内，否则：1.加上自身偏置电流，运放可能发热，造成输出漂移。2.由于集电极/发射极串联电阻的作用，大电流输出造成运放输出级状态不佳，主要是VCE过低，IC过大，造成电流增益下降，具体参见任意NPN/PNPdatasheet中的输出特性曲线。3.加重中间级负载，造成运放对高频大信号的响应能力下降。对于大于1mA的电流，应该扩流。(原文件名:8.JPG)扩流方法很多，最常见方法如下：1.使用现成的单位增益缓冲器：例如LT1010，最大输出150mA。2.参照运放内部电路：扩流最简单的办法是共集电级乙类推挽输出级，就是NPN和PNP构成的射随器组合，对于20V/100mA而言须选择10W左右的中功率管。实际是第一种方法的简化方法。3.使用具有电压增益的功率运放电路扩流：这是一种豪华的方法，具有相当好的动态性能，很多Agilent高级系统仪器均采用这种方法，当然功率运放是分立的。由于扩流电路具有电压增益，因此对运放的SR要求降低，电流源设计-8-整体电路的直流性能决定于运放，克服了功率运放的VOS问题。但这种电路调试比较麻烦，容易振荡，需要设计者经验丰富。显见，考虑性价比，如果只考虑将电流源作为稳定驱动，而不考虑动态性能（例如脉冲电流源），第2种方法是相当好的选择。一定有人推荐，最好使用甲乙类输出以避免交越失真，也可，但对直流源实无必要。(原文件名:9.JPG)上述电路都可工作于I、II、III、IV象限。针对一般的用途，事实上需要四象限均可工作的电流源的场合非常少，通常只需I象限工作即可（Io0、Vo0），如果不考虑动态性能，可将推挽输出级PNP一侧去掉，简化为单臂输出。这次的简化牺牲了输出电流下降沿性能，但对于直流稳定源无大碍。坛友可参考Agilent36xx系列用户手册，下降沿和上升沿响应速率的巨大差异。36xx均为单臂电源。(原文件名:10.JPG)电流源设计-9-图中运放使用了双电源。运放可单电源也可双电源工作，推荐使用双电源，原因如下：1.Aopen(Vin+-Vin-)=Vo是运放的基本公式，通常认为Aopen无穷大，但实际运放最高不过140dB(icl7650)，有的运放甚至只有几千(TL061)。变换公式得到(Vin+-Vin-)=Vo/Aopen，一定记住，其中所有的电压都是以双电源中点为参考地。而(Vin+-Vin-)就是运放误差。单电源工作时，Vo=1/2Vcc时才能达到误差最小，双电源工作时Vo=1/2(Vcc-Vee)=0时误差最低，相对而言，后者更好把握，此问题在后面有实际应用方法解决。2.即使轨到轨运放也无法达到输入/输出绝对到轨，因此需要输入/输出为0时会出一些令人烦恼的问题，使用双电源可避免这些问题，从而集中精力考虑重点。似乎还有问题*******************************************************