电流源设计小Tips（一）：如何选择合适的运放(1)

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