电流源设计小Tips(一):如何选择合适的运放(2)

此时，运放输出端电压基本控制在0.6—0.9V之间，即使TL061也可达到0.016%，OP07更可达到0.0001%。

如果将运放电源VCC与连接负载的电源VP分开，连接负载的电源VP为24V，电流源的输出电压便可达到20V以上。

可是，三极管的电流增益毕竟是有限的，即使是达林顿组态也不过1000，超beta管(通常用在双极运放输入端)最大也不过10000，IB总会出现，而且IB通过Rsample流入地，造成Vsample里出现误差。误差即1/电流增益。

NS有个电路避免了这个问题，使用JFET与NPN构成一个无需电流驱动的达林顿组态。

图13

然而小功率JFET或N MOS并不便宜，而功率N MOSFET并不贵，还可减少一种库存，因此使用N MOSFET代替NPN即可。

图14

MOSFET不需要稳定的电流驱动，因此IG造成的Vsample误差基本可以忽略，ID=IS，一个近乎完美的镜像。

10W左右的N-MOSFET反而不太便宜，选用100W的IRF530也是明智的，而且为扩充输出功率提供了潜力。

本次增加成本：

IRF530 1只 单价3.00元，合计3.00元

合计成本：6.20元

如何选择合适的运放：

选择运放依据需求，每一种运放都有适合的用途，而非通用。

电流源的需求：

1. Vin+=Vin-=Vsample，Vsample=300mV，任何恒温正常工作状态下，误差源Vin+-Vin-应小于Vsample的0.01%=30uV。

2. 温度变化引起的VOS=Vin+-Vin-越小越好。精密仪器都会要求使用环境温度范围=25+/-10c==15-35C，因此在+/-10C范围内VOS变化应小于Vsample的0.01%=30uV。

3. 稳定电流输出，不考虑脉冲性能，即可适当放宽阶跃响应要求。

4. 低噪声。

5. 价格越低越好。

这是工程上考虑问题的思路，范围由宽至窄逐级选择：

1. 之前的负载调整率的计算表明，Aopen越大，Vin+-Vin-越小，很高的Aopen是精密运放的典型特征，通常Aopen》120dB=1000000，可用的运放为：

OP07家族，包括OP07/27/37/177/A277/227。

常见的运放如LM358/324、TL061/071/081、LF356/357/347等均不属于精密运放，暂不使用。

2. 精密运放的VOS通常很小，小于1mV，VOS/dT也很小，小于2uV/C，以OP07为例，VOS/dTmax=1.6uV/C，+/-10C变化+/-16uV，满足需求。

一定会问：为什么不用VOS/dT典型值计算(即使LM324也很小)，而用最大值?

图15

工程设计原则而言是冗余量，做工程必须留足冗余量，不留冗余量的通常是学校作品和新手作品，做工程不能赌博，要尽量考虑到最坏情况，冗余量恰好就是最大值。

理论上的解释，VOS/dT的测量电路与实际应用电路不同，因此典型值只能作为参考，而非标准。选择运放时一定要看指标的最宽泛范围。实际上最大值也只能作为参考，但由于没有其他电路形式的数据支持(事实上不可操作)，只能用最大值做计算依据。

OP07家族都没有什么问题，高Aopen和低VOS、VOS/dT总是一起出现，就像电阻的高准确度和低温漂总是一起出现。

OP07家族的单运放还有一个额外的好处，可以调零。

3. 不考虑阶跃响应上升沿质量时，无需运放在高频率的增益很大，对于稳定源，运放GBW大致1MHz上下即可。运放后面的IRF530也非高频率器件，因此选择GBW很大的运放很浪费，而且将来的频率补偿会相当麻烦。当然，如果要求电流源工作在脉冲状态(很多半导体测量系统为避免发热而必须采用的方式)，可相应更换运放和MOSFET。

OP07家族里的OP27/37都是宽带的，暂不考虑。(指标过高，很好很好的运放，OP37简直是旷世杰作)

OP07/177/OPA277都是1MHz左右的运放。

4. OP07家族噪声足够低。

5. 这个问题总是很棘手，但OP07很合适，物美价廉嘛。177也很好，不太贵，OPA277比较贵，但VOS/dT很低，留作备选。

还有一种精密运放例如icl7650，斩波稳零，原文是chopper amp。

有一些噪声，但不大，更好的chopper amp会通过采样把低频噪声量化为高频，很容易滤除。

Aopen很高》140dB，电源范围略小，+/-8V，既然电流源架构并不要求运放输出动态，也可。

最主要的VOS/dT理论上为0，实际上是长期漂移，由开关长期的性能不一致性造成。

但这种运放一旦饱和，很难快速恢复，这是个重大缺点。而且很贵。

暂选OP07CP，运放总是有过多的选择，眼花缭乱。所以多数设计者总会用最熟悉的型号，而不求新。

由于电流源里只有1个运放，因此零漂都由运放而来，正好是OP07调零电路最合适应用的场合。

调零电路参见OP07 datasheet，需要做适当改进，将20k电位器拆分为9.1k+2k电位器+9.1k，提高调整精度。

图16

本次增加成本

OP07CP 1只 单价1.20元，合计1.20元

9.1k Ohm电阻 2只 单价0.01元，合计0.02元

2k Bouns 10圈精密微调3296电位器 1只 单价2.00元，合计2.00元。

合计3.22元

合计成本：9.42元

如何解决振荡问题：

相信还没有人动手，最好已经搭好了上面提到的电路。然而却发现根本不能用，不是上来就振，就是电流一大就开始振。

一头雾水，反馈看似是负反馈，而且用NPN就基本不会振，很奇怪，也很气愤，因为没有办法，也没有思路。

这是负反馈的固有问题，凡负反馈都有机会振荡，只要相位出问题。

然而，还有一句话，凡负反馈的振荡问题都可解决。先吃一颗定心丸。

解决振荡问题就是剪裁频率响应曲线的过程。因此必须首先得到开环增益Aopen和反馈系数F的频率响应。

反馈系数F就是1，在波特图上是0dB线。

开环增益Aopen麻烦一点，根据39楼电路，首先画出小信号等效电路。

开环分为三部分：

1. 运放

2. MOSFET输入

3. MOSFET输出

图17

这个电路的传递函数由于Cgs不接地并且与压控电流源gmVgs耦合而不太好算，在学校带毕设的时候曾经让一个学生推过一次，就是不知道二极管符号几个三角的学生。他很严谨而且敬业，不仅推出来还检查了三遍，交给学校培养真是浪费了。

传递函数算出来是一个一寸高两寸宽的拉普拉斯变换，实在没有时间再推一遍，不过如果忽略某些不太重要的量，由于Rsample很小，而与Cgs接地时差不太多。

图18

运放之后的Ro是运放的输出电阻，即运放输出级的限流电阻，大致在200 Ohm左右。可以由以下方法大致推出：

非规到轨运放临界饱和输出电压为Vcc-4V，最大输出电流20mA左右，限流电阻约200 Ohm左右。

Cgs比较复杂，按datasheet上的说明，Ciss=760pF@Vgs=0/VDS=25V，但VDS减小和Vgs增大会使Ciss增大到约1000pF。

图19

同时图中省略了跨导电容Crss，Crss可通过密勒定理等效在输入和输出端的小电容，很小而忽略。