电流源设计小Tips（一）：如何选择合适的运放

　　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。