手把手学做电流源---实践

power_lol

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。
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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) 引用图片

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。
如何选择采样电阻
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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）
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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。


(原文件名:2.JPG) 引用图片

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。


(原文件名:3.JPG) 引用图片

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) 引用图片

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，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）
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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) 引用图片

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。


(原文件名:6.JPG) 引用图片

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。


(原文件名:7.JPG) 引用图片



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：
3 Ohm/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

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。

jsongyan

这个是转帖的还是原创，给力呀。

power_lol

回复第 2 楼 jsongyan于2011-04-03 06:27:33发表:
这个是转帖的还是原创，给力呀。

转帖，我没有这个耐心写这么多基础的东西呵呵