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1、 乐真科技Printed in China Edition1, Dec., 2009 步进导引 简易直流电流源步进导引 简易直流电流源 文档序号 SSG-20091201-Rev01 步进导引简易电流源(SSG-20091201-Rev01) 乐真 科技 A 关于本文档的声明关于本文档的声明 1 本文档公开和描述的方法及装置由北京乐真科技有限公司独立资金支持并开发。不存在 任何其它契约形式支持，并且不存在可能通过任何途经影响或削弱北京乐真科技有限公 司知识产权的任何关系。 2 北京乐真科技有限公司保留在不事先通知的情况下，在任何时间添加、改进、变更或收 回产品功能、变更设计、变更产品或变更产品
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4、错误。 当您报告一个具体错误时，请对其进行简要描述，并指示出现错误的章节、图示、表格和页 号。请将您的注释通过邮件或电子邮件寄至北京乐真科技有限公司，我们将对此不胜感激。 乐乐 真真 科科 技技 乐享精良品质乐享精良品质 步进导引简易直流电流源(SSG-20091201-Rev01) 1-1乐真 科技 1 由模型到电路由模型到电路 1.1 实体电流源实体电流源 对比更常用的电压源，电流源更趋近于理论层面的讨论，或者通常只在模型范畴内进行分析。 然而，很多测量，例如电子元件、半导体、材料和磁学方面的大量测试均需使用实体电流源作为激 励源，并且在这些应用中，常见的电压源并不适用。 由于电子学的大多
5、数既有理论均基于电压模，因此电压源的使用相当普遍，其商业化水平和市 场规模均远高于电流源。即使商业电源同时也具有恒流功能，然而受应用的限制，恒流功能通常只 局限于应用中对负载的过流保护，同时由于电路设计中更侧重常用的稳压功能，恒流模式的准确度 和稳定度均无法与恒压模式相提并论。 此外容量很大且漏电流显著的输出电容也会限制恒流模式的 分辨率、准确度和响应速率。 根据市场需求，实体电流源也有商品化型号。除作为独立仪器之外，实体电流源也大量存在于 系统和大型仪器中。这些电流源的设计侧重于电流源特性，因而具有较传统商业电源恒流功能更高 的性能。 虽然采购商用电流源是得到高性能的最方便和稳妥的方式， 而
6、且商用电流源将提供更高的准确 度和稳定度、完备的内部保护功能以及完善的负载保护功能，例如针对电流尖峰的处理和对负载的 静电保护，然而在某些应用中，例如 LED 简易加速老化试验或针对电阻型传感器的恒流偏置应用， 出于成本、性能、体积和安装便利性的折衷考虑，商用电流源并非总是性价比最高的选择。 针对于此，本文档提供一种简易直流电流源的设计方法，以便在合适的场合合理应用。简易电 流源具有 100mA 最大输出电流和 20V 最大有效输出电压，适用于在测量范围较小的装置中为适当 的样品提供稳恒电流偏置。 1.2 最基本的电流源电路最基本的电流源电路 基于准确度、稳定性和复杂度的考虑，本文档讨论的电流
7、源将以运算放大器为基本元件。基于 运算放大器的直流电流源模型如图 1-1 所示。 图图 1-1 基于运算放大器的直流电流源模型基于运算放大器的直流电流源模型 FIG-SSG20091201-00001GNDRSAMPLE RLOAD VIN U1SAMPLEINOUTRVI/=IOUT VSAMPLEVOUT 步进导引简易直流电流源(SSG-20091201-Rev01) 1-2乐真 科技 简单起见，首先假设 U1 为理想运算放大器，即： ? 直流开环增益 AOPEN/DC=； ? 频带 GBW=，即开环增益 AOPEN的频率响应曲线不存在极点； ? 输入偏移电压 VOS=0，且其温度系数 d
8、VOS/dT=0； ? 两输入端的输入电流 IIN=0，即输入阻抗 RIN=； ? 输入共模电压范围=； ? 输出电流能力 IOUTmax=； ? 输出阻抗 RO=0； ? 输出电压能力 VOUTmax=。 而后假设 RSAMPLE 为理想电阻，即： ? 功率容量 PMAX=； ? 温度系数 dR/dT=0。 根据运算放大器输入输出特性： ()()SAMPLEOUTINDCOPENSAMPLEINDCOPENOUTRIVAVVAV=/（1-2-1） 因此： SAMPLEDCOPENOUT INOUTRAVV I/ = （1-2-2） 当 AOPEN/DC= 时： SAMPLEIN OUTRVI
9、= （1-2-3） 然而，理想条件只可尽量趋进，但无法完全实现。后续章节将逐步将理想条件转化为实际元器 件的各项性能，并分析由此产生的问题，从而得到完整的实际电路。 1.3 有限的直流开环增益有限的直流开环增益 AOPEN/DC 实际运算放大器的直流开环增益均为有限值，1/AOPEN/DC只可接近于 0。因此公式（1-2-2） 中的 VOUT/AOPEN/DC项不为 0，引起 IOUT误差： ()SAMPLEDCOPENSAMPLELOADOUTSAMPLEINSAMPLEDCOPENOUTSAMPLEINSAMPLEDCOPENOUT INOUTRARRI RV RAV RV RAVV I/
10、+= = 求得： ()=+=1 111/SAMPLEINAMPLESLOADSAMPLEDCOPENSAMPLEIN OUTRVRRRARVI （1-3-1） 其中为误差项，由于其中包含负载 RLOAD，因此也称为负载调整率。 理想情况下，负载调整率为 0。根据运算放大器基本原理公式（1-2-1） ，非 0 负载调整率产 生的根源在于一定 VOUT时 VIN与 VSAMPLE存在误差电压，因此根据公式（1-2-2） ，一定负载 RLOAD 范围内，VOUT动态范围越小，IOUT受 RLOAD影响越小。而此负载范围内 VOUT的共模值将作为固定漂 移通过零点调整由信号调理电路去除。 步进导引简易
11、直流电流源(SSG-20091201-Rev01) 1-3乐真 科技 1.4 有限的频带范围有限的频带范围 GBW 实际运算放大器的 AOPEN频率响应曲线均存在至少 2 个主极点， 即低频主极点 pL和高频主极点 pH。每经过一次极点，AOPEN频率响应曲线斜率即降低-20dB/DEC（-20dB/十倍频程） ，并使曲线 由 AOPEN/DC向 0dB 线趋进，因此实际运算放大器的频带范围总是有限的，并使用增益带宽积 GBW 表示，如图 1-2 所示。 根据负反馈系统理论，负反馈本身引入-180o相位，因此剩余相位裕度为 360o-180o=180o。 AOPEN频率响应曲线的 pL将造成信
12、号-90o相位变化，并使系统稳定相位裕度减小 90o，经过 pH后， 系统相位裕度减小至 0。此时如果反馈系数 F 不引入相位变化，则负反馈成为正反馈并引起振荡。 通常相位裕度应至少保持 45o，更小的相位裕度将使系统进入临界稳定状态，并易于在外部激励作 用下进入振荡状态。 工程上常使用“接近速率”方法判断系统的稳定性。设反馈系数为 F，则 1/F 与 AOPEN的频率 响应曲线交点处的斜率差小于 20dB/DEC，则系统稳定，否则系统振荡。 现代运算放大器的 pL多数位于 100Hz 以下的低频段，pH则位于高于 GBW 的高频段，即其幅 值位于 0dB 线下方，因此具有单位增益（即同向跟随
13、器，1/F=1）稳定性。然而，某些型号例如 LF357 的 pH位于 0dB 线以上以获得更佳的动态特性1，在单位增益（1/F=1）时可能产生振荡， 必需使用补偿电容。而功率运算放大器，例如 LM1875 的 pH则高于 0dB 线至少 15dB，因此只能 于闭环增益大于 20dB（1/20dB）时方可保证稳定工作2。此时，反馈系数 LOADSAMPLESAMPLE RRRF+=，或者 SAMPLELOADSAMPLELOADSAMPLE RR RRR F+=+=11（1-4-1） 将决定系统是否稳定。 根据应用领域，直流电流源的负载可能为电阻和电感。以下以电阻和电感性负载为例分析负载 对图
14、1-1 所示电路的影响。 图图 1-2 实际运算放大器实际运算放大器 AOPEN的频率响应曲线的频率响应曲线 FIG-SSG20091201-00002100m1101001k10k100k1M10M-60-40-2002040608010012014020log|A|/dBf/HzpL pH -20dB/DEC-40dB/DEC GBW 步进导引简易直流电流源(SSG-20091201-Rev01) 1-4乐真 科技 1.4.1 电阻性负载电阻性负载 如果 RLOAD为理想电阻，则可能出现以下 2 种情况： ? RLOAD20dB，即 1/F10 才可稳定工作，此 时 RLOAD必须大于 9
15、RSAMPLE。 然而，源不可要求负载，即必须通过适当处理取消此限制。为此需要在反馈通路引入适当的频 率补偿，从而改造 1/F。由于通常补偿元件并联在负载 RLOAD两端，或输出端，因此称为输出减振 器（Output Snubber） 。 最简单的输出减振器即电容，并联在 RLOAD两端的电容 CSNUBBER将在反馈系数 F 中引入零点和 极点，并在 1/F 中相应引入极点 pSNUBBER和零点 zSNUBBER，如图 1-3 所示： 图图 1-3 输出减振器的频率补偿作用输出减振器的频率补偿作用 FIG-SSG20091201-00003100m1101001k10k100k1M10M-60-40-2002040608010012014020log|A|/dBf/HzpL pH AOPEN 1/F pSNUBBER zSNUBBER -20dB/DEC-40dB/DEC-20dB/DEC 补偿之前补偿之前 GNDRSAMPLE RLOAD VIN U1CSNUBBER VSAMPLE 步进导引简易直流电流源(SSG-20091201-Rev01) 1-5乐真 科技 其中： LOADSNUBBERSNUBBERRCpf21|= （1-4-2） ()SAMP
