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輸出電流采樣負(fù)反饋壓控恒流源(VCCS)的分析 |
| 作者：赤鑄 欄目：模擬技術(shù) |
 一、結(jié)果 電路中1個運放和4個電阻組成的就是模電教科書上的“單位減法器”（如果把圖中的 VREF 換成地，它的輸出－輸入關(guān)系就是：VOUT = ΔVIN = VIN+ - VIN-），只不過有兩個“正輸入端”VIN+ 和 VREF，所以 VOUT = VIN+ + VREF - VIN- = ΔVIN + VREF 于是，這種恒流源可以分為3部分：一個單位減法器，一個電流采樣電阻 RS 和一個反饋跟隨器。（這種恒流源其實是“電壓-電流變換器”或者“壓控恒流源”，當(dāng)輸入電壓ΔVIN為常量時，便成了恒流源。） 其中，“單位減法器”在這里的作用就是維持“輸出電壓為輸入電壓和參考電壓之和”，即維持VOUT = ΔVIN + VREF，或者 VOUT - VREF = ΔVIN . 由電路結(jié)構(gòu)可見，VOUT - VREF 正是采樣電阻RS 上的電壓，于是便可以維持“采樣電阻RS 上的電壓為常量ΔVIN”，根據(jù)歐姆定律，控制了電壓，當(dāng)然也就控制了電流： IOUT = ΔVIN / RS 二、過程 上面的說法似乎有些“抽象”，因為它直接說了最終結(jié)果，而沒有說實現(xiàn)結(jié)果的過程。維持這個結(jié)果的過程就是“深負(fù)反饋”。因為有個運放，“深反饋”是毫無疑問的，關(guān)鍵就是是否“負(fù)”。 我們假設(shè)IOUT↑，那么IOUT RS↑，當(dāng)VOUT還來不及變化的時候，就會有VREF = VOUT - IOUT RS↓，既然VREF是“正輸入端”之一，當(dāng)然會導(dǎo)致VOUT↓，而VOUT↓顯然會減小輸出電流。 由IOUT↑出發(fā)得到IOUT↓的結(jié)果，因此電路對于IOUT 是負(fù)反饋，趨向于使它保持穩(wěn)定。  三、說明 一般情況下，分析這種負(fù)反饋的電路，都可以分三步： 第一步：只看結(jié)果，不問過程。就是假設(shè)電路已經(jīng)達(dá)到“平衡狀態(tài)”，即“運放輸入端虛短”的狀態(tài)，然后根據(jù)各個參數(shù)的關(guān)系列方程。 但是，存在“平衡狀態(tài)”，能否達(dá)到這個平衡狀態(tài)，能否穩(wěn)定呢？于是—— 第二步再考慮平衡狀態(tài)能否達(dá)到。這首先要分析電路極性，假設(shè)輸出變大或變小，從輸出端沿反饋網(wǎng)絡(luò)回到輸入端，看凈輸入量朝哪個方向變化，如果凈輸入量的變化趨向于抵消假設(shè)的變化，那就是負(fù)反饋，如同不倒翁；否則就是正反饋，正反饋的平衡狀態(tài)就如同筆尖朝下立著的鉛筆，是幾乎無法維持的。 第三步還要考慮平衡狀態(tài)的穩(wěn)定，這一步初學(xué)者有時可以不管，但真正做產(chǎn)品必須考慮。這一步其實就是為了解決“當(dāng)頻率很高的時候，不倒翁會不會變成鉛筆”的問題。學(xué)過自控原理的人都該知道那個“極點在坐標(biāo)系左半平面還是右半平面”的判別準(zhǔn)則，還應(yīng)該知道什么“超前/滯后校正”，那些東西就是為了解決負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性的。 上面把那個反饋電壓稱為VREF 也是有歷史淵源的。用過AD公司的儀表放大器，諸如AD620之類的，立刻就能明白我什么這么叫它。 * - 本貼最后修改時間：2006-4-9 23:56:51 修改者：赤鑄 |
| 2樓： | >>參與討論 |
| 作者： 赤鑄 于 2006/3/26 21:22:00 發(fā)布：
頁面字體有問題 西文用Times New Rome，公式就清楚了 |
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| 3樓： | >>參與討論 |
| 作者： 赤鑄 于 2006/3/26 21:33:00 發(fā)布：
關(guān)于這個電路優(yōu)點 這個電路最大的優(yōu)點就是原理清楚，電路結(jié)構(gòu)“能分開” 這類恒流源電路，典型的例如Howland電流泵，一般都有電阻匹配的要求，如果電阻匹配精度不夠，輸出阻抗就會降低，通俗的說，“恒流源”變成了“電流源”。 這個電路也要求電阻匹配，但不同的是，它要求匹配的部分剛好是個獨立的“減法器”，這是模擬電路中的常用單元，像什么“差動放大器”或“儀表放大器”之流其實也都是減法器，所以可以用現(xiàn)成的芯片！ |
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| 4樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2006/3/26 22:15:00 發(fā)布：
漂亮��！還麻煩介紹這種情況下對源阻抗的處理 |
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| 5樓： | >>參與討論 |
| 作者： 赤鑄 于 2006/3/26 22:32:00 發(fā)布：
我這個電路假設(shè)前面是運放輸出，所以沒考慮 IN105片內(nèi)電阻是25k，而且是穩(wěn)定的，對于運放精度幾乎沒有影響 如果想高阻輸入，就加個跟隨器，或者把INA105換成那種高阻輸入的差動放大器（型號很多） |
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| 6樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2006/3/26 23:08:00 發(fā)布：
好，負(fù)載方面也講講吧 3Q |
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| 7樓： | >>參與討論 |
| 作者： 赤鑄 于 2006/3/27 0:32:00 發(fā)布：
我實際用的時候輸出加了齊納管 一是限制開路輸出電壓，否則開路時電路處于飽和狀態(tài)，這本身雖然無害，但一旦接上負(fù)載后，就有個從飽和狀態(tài)到正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，運放的建立時間都比較慢，瞬間輸出電流可能比較大，對負(fù)載不利 二是保護(hù)電路本身，U12輸入端直接接電流輸出端，也就直接連到現(xiàn)場，不太安全 至于輸出驅(qū)動能力，主要受U12共模輸入范圍和U11輸出驅(qū)動能力的影響。OPA277共模輸入范圍還是不錯的，能達(dá)到距離電源2V以內(nèi)，INA105設(shè)計時專門考慮了實際需求，正輸出驅(qū)動能力是20mA（此時輸出距離正電源5V以內(nèi)），可以用在4-20MA變換場合。 要想提高輸出帶載能力（或降低電源電壓），U12選輸入rail-to-rail的，INA105輸出加個三極管驅(qū)動（能用耗盡型MOSFET是最好的），再想提高就選那種rail-to-rail輸出的差動放大器 |
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| 8樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2006/3/27 2:02:00 發(fā)布：
不知道有沒有人對輸出開路存在疑問？ |
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| 9樓： | >>參與討論 |
| 作者： dew_drop 于 2006/3/27 9:52:00 發(fā)布：
我有疑問 IC大俠,我有疑問. |
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| 10樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2006/3/28 3:16:00 發(fā)布：
你具體講呀，是什么疑問？ |
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| 11樓： | >>參與討論 |
| 作者： bangzhu 于 2006/3/28 7:38:00 發(fā)布：
很清楚 對負(fù)載部分開路運放飽和，學(xué)習(xí)了：） |
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| 12樓： | >>參與討論 |
| 作者： sillboy 于 2006/3/28 15:48:00 發(fā)布：
受教了 |
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| 13樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2006/3/28 18:59:00 發(fā)布：
飽和與電路平衡條件 正常時有： VOUT = VIN+ + VREF - VIN- = ΔVIN + VREF 也就是，當(dāng)VOUT －VREF = ΔVIN 時，電路平衡，不會飽和。 可是這個飽和條件是不能滿足的，因為：在跟隨器作用下，除非 ΔVIN ＝0，否則不存在VOUT －VREF 相等的可能。象這種電路在極端負(fù)載的情況下進(jìn)一步分析，如到底誰飽和，如何飽和，是否有什么危害…… 電路在極端負(fù)載和上電時的現(xiàn)象比較特殊，但認(rèn)真對待的人還少。嘿嘿，我的認(rèn)識也不咋滴，得向大家學(xué)習(xí)了。 |
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| 14樓： | >>參與討論 |
| 作者： wht1997wht 于 2006/3/28 19:31:00 發(fā)布：
真是不錯，希望多點這樣的貼子。 |
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| 15樓： | >>參與討論 |
| 作者： pengk31 于 2006/4/2 22:40:00 發(fā)布：
學(xué)習(xí),不過這些應(yīng)用還是有些個淺了! 希望能帶出寫較實用較深層次的討論來! |
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| 16樓： | >>參與討論 |
| 作者： iC921 于 2006/4/3 2:06:00 發(fā)布：
此處的負(fù)載問題，我也希望赤鑄繼續(xù) |
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| 17樓： | >>參與討論 |
| 作者： ysh815 于 2006/4/3 8:35:00 發(fā)布：
不知道實際效果怎么樣，能達(dá)到多大的精度 |
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| 18樓： | >>參與討論 |
| 作者： hpy013 于 2006/4/3 9:54:00 發(fā)布：
好貼，能否講講輸出時加齊納管，都用哪些型號？ |
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| 19樓： | >>參與討論 |
| 作者： fzy_666 于 2006/4/3 13:53:00 發(fā)布：
看完了 看完了，要頂一下，很好的貼，謝謝��！ |
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| 20樓： | >>參與討論 |
| 作者： dodd11 于 2006/4/3 14:03:00 發(fā)布：
恒流源 電流源de區(qū)別 這類恒流源電路，典型的例如Howland電流泵，一般都有電阻匹配的要求，如果電阻匹配精度不夠，輸出阻抗就會降低，通俗的說，“恒流源”變成了“電流源”。 請問恒流源 電流源的區(qū)別？ |
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| 21樓： | >>參與討論 |
| 作者： 赤鑄 于 2006/4/4 0:16:00 發(fā)布：
我這只是形象的說法 恒流源是特殊電流源, 也就是說電流源包含恒流源, 恒流源的內(nèi)阻無限大, 電流源的內(nèi)阻有限大 理想的恒流源是不存在的, 實際的恒流源不過是內(nèi)阻“相當(dāng)大”的電流源而已，所以我加了引號, 意思是內(nèi)阻從“相當(dāng)大”變成了“比較大”。那些恒流源（V-I）電路都是靠電阻的匹配實現(xiàn)輸出電流與負(fù)載無關(guān)的，一旦電阻失配，原先的方程不成立了，內(nèi)阻就會明顯降低 |
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| 22樓： | >>參與討論 |
| 作者： 赤鑄 于 2006/4/4 0:29:00 發(fā)布：
其實恒流源輸出開路類似于恒壓源輸出短路 但通常前者還是比后者安全，因為電路一般都是電壓源供電，恒流源的輸出限壓功能是“天然”的 我說怕輸出開路，主要就是考慮開路時電路是飽和非線性狀態(tài)，接上負(fù)載后恢復(fù)到線性狀態(tài)有個過渡過程，可能會有意外 所以加個穩(wěn)壓管或TVS，一方面防止開路，一方面防止ESD或其它意外 齊納管肯定要選VR(反向漏電流下的電壓)高于恒流源的最高工作電壓（輸出電流×最大負(fù)載電阻）的。不過齊納管有個問題就是漏電流，即使電壓低于VR，也還是有漏電流的，會影響輸出精度（負(fù)誤差），而且VR是溫度的函數(shù)。 為降低漏電流影響，齊納管的電壓當(dāng)然是越高越好，但太高了就失去保護(hù)效果了 所以有時也可以用二極管保護(hù)，就是把二極管的K極接到一個高于最高工作電壓的固定電壓上。不過這也是有問題的，二極管也有漏電流，所以也有誤差（正誤差），大功率二極管的漏電流也相當(dāng)可觀，小功率二極管的抗沖擊性能又有限 這好像是個很普通的問題，解決方案也很普通：沒有各方面都好的方案 |
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| 23樓： | >>參與討論 |
| 作者： 三井壽 于 2006/4/4 10:35:00 發(fā)布：
謝謝!我很快樂 |
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| 24樓： | >>參與討論 |
| 作者： hpy013 于 2006/4/5 9:26:00 發(fā)布：
學(xué)習(xí)了 |
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| 25樓： | >>參與討論 |
| 作者： xlander 于 2006/4/5 21:43:00 發(fā)布：
不錯，分析得很清晰透徹，看一遍就懂了 |
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| 26樓： | >>參與討論 |
| 作者： cavalryman 于 2006/4/6 13:15:00 發(fā)布：
好好學(xué)習(xí)了 |
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| 27樓： | >>參與討論 |
| 作者： wzg858 于 2006/4/6 23:55:00 發(fā)布：
赤鑄你好 赤鑄你好：可以介紹一下好何帶大功率負(fù)載嗎？ |
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| 28樓： | >>參與討論 |
| 作者： wzg858 于 2006/4/7 0:03:00 發(fā)布：
謝謝 如何加耗盡型MOSFET |
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| 29樓： | >>參與討論 |
| 作者： nongkc 于 2006/4/7 0:16:00 發(fā)布：
不知實效果如何,但愿如你所說的那樣 |
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| 30樓： | >>參與討論 |
| 作者： wzg858 于 2006/4/9 21:32:00 發(fā)布：
具體說說如何擴(kuò)流10A左右！ |
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| 31樓： | >>參與討論 |
| 作者： wzg858 于 2006/4/9 21:34:00 發(fā)布：
具體說說如何擴(kuò)流 謝謝 |
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| 32樓： | >>參與討論 |
| 作者： 赤鑄 于 2006/4/9 23:41:00 發(fā)布：
我做過的實際精度可以達(dá)到0.5%以內(nèi)（用0.1%電阻） 沒有精確測量設(shè)備，0.5%以內(nèi)多少不好說，影響因素比較多。 這種電路就適合輸出4-20MA這種輕體力活，讓它輸出10A就太勉為其難了，雖然能加晶體管擴(kuò)流，但什么樣的采樣電阻才能承受10A電流（保證精度的前提下）？ 而且我說過這個電路其實是“壓控恒流源（VCCS）”或者叫“電壓－電流變換器”，需要精確調(diào)節(jié)輸出電流的場合才用得著。固定電流恒流源，有簡單得多的方案。 |
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| 33樓： | >>參與討論 |
| 作者： 赤鑄 于 2006/4/9 23:53:00 發(fā)布：
耗盡型MOSFET是為了提高最大輸出電阻 或者在同樣最大輸出電阻的前提下降低電源電壓需求 因為MOSFET的VGS也要“占用”一部分電源電壓 也可以用大功率達(dá)林頓管，這時基極電流會帶來一點誤差，但VBE一般不超過2V，比MOSFET的VGS應(yīng)該低一些 有人也許想到用PMOS，PMOS占用的電壓（VS-VD）也許能低到1V量級，但這需要把差動放大器的反饋電阻和接地電阻交換一下，從PMOS漏極回去的那個電阻接到同相輸入端（不然就成正反饋了） 這個方案的主要問題可能是穩(wěn)定性，我也實際試過，不知能不能用 也許加補(bǔ)償電容可以，但INA105這樣的集成器件就沒法加，只能自己做差動放大器，這就失去了這個方案的一個重要優(yōu)點了 僅僅看原理，許多電路都“似乎沒問題”，但只有實際做過試驗才能確認(rèn) 不過話說回來，很多實際問題都往往出在一些“陰溝”里，而不是“大道”上，看你有沒有耐心一個個解決 |
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| 34樓： | >>參與討論 |
| 作者： xiaopig769 于 2006/4/10 8:28:00 發(fā)布：
很好，學(xué)習(xí)了 很好，學(xué)習(xí)了，但是還看不到圖片 |
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| 35樓： | >>參與討論 |
| 作者： xjx631 于 2006/4/11 19:41:00 發(fā)布：
不錯 看了你的分析很精辟 但心中有點問題,此電路會對外部產(chǎn)生多大頻率的干擾 不知道能不能EMAIL電路給我 |
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| 36樓： | >>參與討論 |
| 作者： cjwzxy 于 2006/4/13 14:25:00 發(fā)布：
看不見圖 我很想看看這個圖,怎么沒有這個圖呢??? 請各位幫助一下怎么看圖??? |
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| 37樓： | >>參與討論 |
| 作者： jbs2000 于 2006/4/14 15:01:00 發(fā)布：
能說說怎么擴(kuò)流么？ 如果想用摟主的辦法輸出較大電流，但用三極管擴(kuò)流實在溫漂太大！能用mos管代替么？怎么連接呢？謝謝 |
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| 38樓： | >>參與討論 |
| 作者： sonsr 于 2006/4/17 10:08:00 發(fā)布：
頂一下 看完了，要頂一下，很好的貼，謝謝�。� |
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| 39樓： | >>參與討論 |
| 作者： 忘情天書 于 2007/3/30 9:29:00 發(fā)布：
我看不到圖啊 |
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