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技術(shù)支招:如何解決運(yùn)放振蕩的問(wèn)題

發(fā)布時(shí)間:2015-10-21 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】對(duì)工程師來(lái)說(shuō),電流源是不可或缺的器件,有很多人想做一個(gè)合用的電流源,而應(yīng)用開(kāi)源套件,就只是用一整套的PCB、元件、程序等成套產(chǎn)品,只需要將套件的東西焊接好,調(diào)試一下就可以了,這里面的技術(shù)含量能有多高呢?本文只從原理出發(fā),指導(dǎo)大家做個(gè)人人能掌控的電流源。本文主要就是涉及到模擬部分的內(nèi)容,而基本不涉及單片機(jī)。
 
加速補(bǔ)償——校正Aopen
 
校正Aopen是補(bǔ)償?shù)淖罴逊椒?,?jiǎn)單的Aopen補(bǔ)償會(huì)起到1/F補(bǔ)償難以達(dá)到的效果,但并非解決一切問(wèn)題。
 
如果振蕩由于po位于0dB線之上造成,可想到的第一辦法是去掉po。
 
去掉極點(diǎn)作用的基本方法是引入零點(diǎn)。
 
引入零點(diǎn)的最佳位置為Ro,Ro上并聯(lián)電容Cs可為MOSFET輸入端引入一個(gè)零點(diǎn)zo。
 
但Ro是運(yùn)放內(nèi)部電阻,無(wú)法操作,因此在Ro后添加一只電阻Rs,并將Cs與Rs并聯(lián)。
 
 
如果Rs》Ro,則可基本忽略Ro的作用。
 
增加Rs和Cs后,會(huì)使MOSFET輸入端的極點(diǎn)po和零點(diǎn)zo頻率分別為:
 
po=1/2pi(Cs+Cgs)Rs,zo=1/2piCsRs。
 
如果Cs》Cgs,則原有的極點(diǎn)po=1/2piRoCs由高頻段移至低頻段,頻率由Cs、Cgs和Rs決定,而非Cgs和Ro決定,新引入的零點(diǎn)zo也在低頻段并與po基本重合,兩者頻率差由Cgs與Cs的比例決定,因而很小。
 
通常Rs=2k-5kOhm,Cs=0.01-0.1uF。
 
 
Rs和Cs將原有極點(diǎn)po移至低頻段并通過(guò)zo去除。像極了chopper運(yùn)放里通過(guò)采樣將1/f噪聲量化到高頻段后濾除。很多不沾邊的方法思路都是相通的。
 
由瞬態(tài)方法分析,Cs兩端電壓不可突變,因此運(yùn)放輸出電壓的變化會(huì)迅速反應(yīng)到柵極,即Cs使為Cgs充電的電流相位超前pi/2。因此Cs起到加速電容作用,其補(bǔ)償稱(chēng)為加速補(bǔ)償或超前補(bǔ)償。
 
很多類(lèi)似電路里在Rs//Cs之后會(huì)串聯(lián)一只小電阻,約100 Ohm,再稍適調(diào)整零點(diǎn)和極點(diǎn)位置,此處不必再加,那個(gè)忽略的Ro很合適。
 
看個(gè)范例,Agilent 36xx系列的MOSFET輸入級(jí)處理,由于PNP內(nèi)阻很小,至少比運(yùn)放低得多,因此后面有一只R42=100 Ohm。
 
 
在此之前,如果看到C49和R39,恐怕很多壇友會(huì)很難理解其作用,然而這也正是體現(xiàn)模擬電路設(shè)計(jì)水平之處。有人感嘆36xx系列電路的復(fù)雜,然而內(nèi)行看門(mén)道,其實(shí)真正吃功夫的地方恰在幾只便宜的0805電阻和電容上,而非那些一眼即可看出的LM399、AD712之類(lèi)的昂貴元件。
 
后面兩節(jié)里還會(huì)出現(xiàn)幾只類(lèi)似的元件,合計(jì)成本0.20元之內(nèi)。
 
本次增加成本:
 
3.9k Ohm電阻 1只 單價(jià)0.01元,合計(jì)0.01元
 
0.1uF/50V電容 1只 單價(jià)0.03元,合計(jì)0.03元
 
合計(jì)0.04元
 
合計(jì)成本:9.46元
 
潛在的振蕩:運(yùn)放的高頻主極點(diǎn)pH
 
通過(guò)加速補(bǔ)償,由Cgs造成的極點(diǎn)作用基本消除。
 
然而,0dB線附近還有一個(gè)極點(diǎn)——運(yùn)放的高頻主極點(diǎn)pH。
 
事實(shí)上,就純粹的運(yùn)放而言,pH只在0dB線之下不遠(yuǎn)的位置。與po類(lèi)似,由于gmRsample的增益作用,pH也有可能浮出0dB線,從而使Aopen與1/F的交點(diǎn)斜率差為40dB/DEC,引起振蕩。
 
pH的位置比po低,因此gmRsample的增益必須更高才能使電路由于pH而產(chǎn)生振蕩,然而gmRsample由于datasheet中沒(méi)有完整參數(shù),實(shí)際上只能大致預(yù)測(cè)而無(wú)法精確計(jì)算。因此必須采取一定措施避免pH的作用。
 
如前所述,零點(diǎn)可以矯正極點(diǎn)的作用,但有一個(gè)條件,除非將零點(diǎn)/極點(diǎn)頻率降得很低或升得很高,使其位于遠(yuǎn)離1/F的位置。
 
pH距離0dB線過(guò)于近,而且是運(yùn)放的固有極點(diǎn),想通過(guò)前面類(lèi)似的方法轉(zhuǎn)移極點(diǎn)位置很不容易。
 
如果1/F的位置改變,遠(yuǎn)離pH,就能輕易解決pH的煩惱。然而1/F決定了電路的輸出電流,不能隨意更改。
 
但如果1/F的DC值不變而高頻有所提升,應(yīng)該可以——這就是噪聲增益補(bǔ)償。
 
噪聲增益補(bǔ)償方法來(lái)自反向放大器,使用RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接在Vin+和Vin-之間。這種方法不建議用在同向放大器,但也不是絕對(duì)不可以,只需將RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的Vin+端接地,并在Rsample上的電壓反饋到Vin-之前串聯(lián)電阻RF即可。
 
 
這個(gè)電路在功放里很常見(jiàn),目的是降低DC誤差,但不影響高頻響應(yīng)。此處的作用在于為反饋系數(shù)F提供一對(duì)極點(diǎn)/零點(diǎn),從而使F的高頻響應(yīng)降低,即1/F的高頻響應(yīng)增強(qiáng),實(shí)質(zhì)上使F成為一個(gè)低通濾波器,對(duì)應(yīng)1/F為高通濾波器。
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F中的極點(diǎn)和零點(diǎn)在1/F中相對(duì)應(yīng)為零點(diǎn)zc和極點(diǎn)pc,zc=1/2pi(RF+Rc)Cc,pc=1/2piRcCc,兩者之間的增益差為1+RF/Rc,從而使pc之后的1/F提升了1+RF/Rc,使1/F遠(yuǎn)離pH。
 
顯然,1+RF/Rc越大,zc和pc頻率越低,1/F越遠(yuǎn)離pH,系統(tǒng)越穩(wěn)定,但也會(huì)出現(xiàn)致命的問(wèn)題——瞬態(tài)性能下降。
 
如果電流源輸入端施加階躍激勵(lì),電流源系統(tǒng)輸出端會(huì)產(chǎn)生明顯的過(guò)沖振蕩,而后在幾個(gè)振蕩周期后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。
 
原因在于階躍激勵(lì)使運(yùn)放迅速動(dòng)作,MOSFET柵極電壓迅速增大,輸出電流Io增大,但體現(xiàn)在Rsample上的采樣電壓IoRsample受到噪聲增益補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F的低通作用,向運(yùn)放隱瞞了IoRsample迅速上升的事實(shí),即反饋到Vin-的電壓無(wú)法體現(xiàn)運(yùn)放的輸出動(dòng)作,從而造成超調(diào)振蕩。
 
雖然超調(diào)振蕩不是致命的,由于足夠的阻尼作用,它總會(huì)進(jìn)入穩(wěn)態(tài),但超調(diào)造成的輸出電流沖擊卻很容易摧毀脆弱的負(fù)載,因此仍然不能容忍。
 
適可而止,如果1+RF/Rc=2,就給gm的增大提供2倍空間,考慮稍適過(guò)補(bǔ)償原則,1+RF/Rc取3是合理的,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生3倍gm變化的電流增量至少需要10倍,足矣。
 
即使如此,階躍響應(yīng)仍有一些很小的過(guò)沖,將在后面解決。
 
直流性能是不受影響的。
 
實(shí)際RF=1k Ohm,Rc=470 Ohm,Cc=0.1uF,zc=1kHz/0dB,pc=3kHz/9.5dB。
 
(補(bǔ)充:上一節(jié)中的Rs=3.9k Ohm,Cs=0.1uF,po=400Hz,zo=400Hz,由于無(wú)法編輯,補(bǔ)充于此)
 
本次增加成本:
 
1k Ohm電阻 1只 單價(jià)0.01元,合計(jì)0.01元
 
470 Ohm電阻 1只 單價(jià)0.01元,合計(jì)0.01元
 
0.1uF/50V電容 1只 單價(jià)0.03元,合計(jì)0.03元
 
合計(jì)0.05元
 
合計(jì)成本:9.51元
 
避免輕微的超調(diào)過(guò)沖和常規(guī)電壓接口
 
由于噪聲增益補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題,電流源在階躍激勵(lì)下會(huì)有輕微的超調(diào)過(guò)沖,稍嚴(yán)重一點(diǎn)兒在示波器上能看到逐漸衰減的超調(diào)振蕩。
 
雖然不嚴(yán)重,但追求完美即完善細(xì)節(jié),盡量做得比對(duì)手好一點(diǎn)。
 
如果電流源看不到陡峭的上升沿,也就不存在這個(gè)問(wèn)題了。
 
蒙蔽它。只需一個(gè)低通濾波器。
 
恰好正需要一個(gè)常規(guī)電壓接口,0—0.3V估計(jì)不是標(biāo)準(zhǔn)的電壓,標(biāo)準(zhǔn)電壓一般都是2.5V/5V(DAC、基準(zhǔn))或7V(更好的基準(zhǔn))。
 
電阻分壓降壓即可,以2.5V為例。
 
(2.5/0.3)-1=7.33,如果對(duì)地電阻R4為3.3k Ohm,水平電阻為24.2k Ohm,其中設(shè)置微調(diào)R2=5k Ohm + R3=500 Ohm電位器,固定電阻R1取值22k Ohm。
 
對(duì)地電阻并電容C1,獲得低通濾波器,轉(zhuǎn)折頻率f=1/2piC1(R4//(R1+R2+R3))《zc=1kHz,C1》0.054uF,實(shí)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。
 
 
此時(shí)Iin的影響就應(yīng)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(jià)0.50元,合計(jì)0.50元。
 
3.3k Ohm 0.1% 1/4W 25ppmmax金屬膜電阻 1只 單價(jià)0.50元,合計(jì)0.50元。
 
5k Bouns 10圈精密微調(diào)3296電位器 1只 單價(jià)2.00元,合計(jì)2.00元
 
500 Ohm Bouns 10圈精密微調(diào)3296電位器 1只 單價(jià)2.00元,合計(jì)2.00元
 
0.1uF/50V電容 1只 單價(jià)0.03元,合計(jì)0.03元
 
合計(jì)5.03元
 
合計(jì)成本14.58元
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