应用中的实际运放 - 电流源设计小Tips（一）：如何选择合适的运放

　　实际的运放：

　　模型说了这么多，还没和实际的沾上边儿，这一部分将考虑实际器件。

　　通常的运放最高能输出35mA（我见过的，勿疑），而且到达最大输出电流时，运放几乎进入饱和状态，已失去大多数可圈可点的性能。

　　当然，功率运放可输出5A以上的电流，但功率运放的直流特性不大好，集中于VOS和dVOS/dT，有兴趣的坛友可查看LM1875的datasheet，其余类推。

　　由于功率运放的VOS已和Vsample可比，因此一般不推荐单独使用。

　　一般而言，依照运放自身的设计原则，运放输出电流应尽量控制在1mA以内，否则：

　　1. 加上自身偏置电流，运放可能发热，造成输出漂移。

　　2. 由于集电极/发射极串联电阻的作用，大电流输出造成运放输出级状态不佳，主要是VCE过低，IC过大，造成电流增益下降，具体参见任意NPN/PNP datasheet中的输出特性曲线。

　　3. 加重中间级负载，造成运放对高频大信号的响应能力下降。

　　对于大于1mA的电流，应该扩流。

　　图9

　　扩流方法很多，最常见方法如下：

　　1. 使用现成的单位增益缓冲器：

　　例如LT1010，最大输出150mA。

　　2. 参照运放内部电路：

　　扩流最简单的办法是共集电级乙类推挽输出级，就是NPN和PNP构成的射随器组合，对于20V/100mA而言须选择10W左右的中功率管。实际是第一种方法的简化方法。

　　3. 使用具有电压增益的功率运放电路扩流：

　　这是一种豪华的方法，具有相当好的动态性能，很多Agilent高级系统仪器均采用这种方法，当然功率运放是分立的。由于扩流电路具有电压增益，因此对运放的SR要求降低，整体电路的直流性能决定于运放，克服了功率运放的VOS问题。但这种电路调试比较麻烦，容易振荡，需要设计者经验丰富。

　　显见，考虑性价比，如果只考虑将电流源作为稳定驱动，而不考虑动态性能（例如脉冲电流源），第2种方法是相当好的选择。

　　一定有人推荐，最好使用甲乙类输出以避免交越失真，也可，但对直流源实无必要。

　　图10

　　上述电路都可工作于I、II、III、IV象限。针对一般的用途，事实上需要四象限均可工作的电流源的场合非常少，通常只需I象限工作即可（Io》0、Vo》0），如果不考虑动态性能，可将推挽输出级PNP一侧去掉，简化为单臂输出。

　　这次的简化牺牲了输出电流下降沿性能，但对于直流稳定源无大碍。

　　坛友可参考Agilent 36xx系列用户手册，下降沿和上升沿响应速率的巨大差异。36xx均为单臂电源。

　　图11

　　图中运放使用了双电源。运放可单电源也可双电源工作，推荐使用双电源，原因如下：

　　1. Aopen（Vin+-Vin-）=Vo是运放的基本公式，通常认为Aopen无穷大，但实际运放最高不过140dB（icl7650），有的运放甚至只有几千（TL061）。

　　变换公式得到（Vin+-Vin-）=Vo/Aopen，一定记住，其中所有的电压都是以双电源中点为参考地。而（Vin+-Vin-）就是运放误差。

　　单电源工作时，Vo=1/2Vcc时才能达到误差最小，双电源工作时Vo=1/2（Vcc-Vee）=0时误差最低，相对而言，后者更好把握，此问题在后面有实际应用方法解决。

　　2. 即使轨到轨运放也无法达到输入/输出绝对到轨，因此需要输入/输出为0时会出一些令人烦恼的问题，使用双电源可避免这些问题，从而集中精力考虑重点。

　　还存在的一些问题：

　　电路基本成型了，还有什么问题？

　　一般而言，设计到这个地步，设计工作可到一段落。然而仔细分析，仍有不甚完美之处。

　　普及知识：电流源和电压源都是互补对应的。首先看看电压源：

　　1. 对电容性负载敏感，对电感比较无所谓。

　　2. 有最大电流限制，短路时输出电流受电压源的电源的电流能力限制。

　　3. 负载并联在输出端和地之间。

　　对应于电流源：

　　1. 对电感性负载敏感，对电容比较无所谓

　　2. 有最大电压限制，开路时输出电压受电流源的电源的电压能力限制。

　　3. 。。。

　　第3点是个问题，已经得到的电流源的负载接在输出端和采样电阻之间，而且参与反馈，因而造成如下问题。

　　1. 负载调节率

　　试想负载的变化范围由0—100 Ohm，运放输出端电压需要在1到10V之间变化，根据前面运放误差分析，10V与1V对应的（Vin+-Vin-）相差10倍。如果运放为TL061（Aopen=6000），输入误差在1V/6000—10V/6000之间变化，即0.16mV—1.6mV，对应Vsample=300mV的情况，电流误差为0.05%—0.5%，因此0—100 Ohm范围内的负载调整率为0.45%，很可观。通常的商品电源负载调整率不会超过0.01%。

　　当然换好一点的运放，例如OP07（增益1000000），会好的多，负载调整率为0.003%。基本可以忽略。

　　然而，如果可以用好一些，就尽量用好一些。即使是便宜的OP07，也尽量发挥出它应有的指标。

　　为何要一味追求负载调整率，其实负载调整率对应的就是电流源的并联内阻，负载调整率越小，并联内阻越高，其分流越小，电流源性能越好。

　　对应于电压源，负载调整率对应的是电压源的串联内阻，负载调整率越小，串联内阻越小，其分压越小，电压源性能越好。

　　2. 输出电压无法达到20V

　　老实话，为什么命题选择20V，就是要在这里说明问题。大多数的运放双电源时推荐最大电源电压为+/-15V，当然也有OP07（极限+/-22V）家族可以到达+/-20V。

　　即使使用OP07，在+/-20V下工作，输出最高电压不过+/-18V，因此NPN的E，即电流源输出端的最高电压为17.4V，算上Vsample=300mV，电流源能达到的输出电压为17.1V。况且中功率NPN的电流增益不过几十，因此一定会使用达林顿组态，减小运放负载，又会去掉0.6V，最高输出电压压缩到16.5V。

　　当然，会有建议采用非对称双电源，例如+30V -5V，可使输出电压达到20V以上。

　　如果不得已，这样的配置是可用的。然而基于以下的原因：

　　（1）如果Vin+端电压很接近0V，运放输入级晶体管会工作在不太舒服的状态，VCE过小，导致电流增益下降，造成运放Aopen下降和输入偏流增大。

　　（2）Aopen下降也会造成负载调节率指标下降。

　　一般不推荐相差悬殊的非对称双电源应用。单电源是非对称双电源的极端，因此与双电源相比性能会打很大折扣。这就是为什么早期的运放均不推荐单电源的原因。但手持设备的出现对单电源应用有巨大促进作用，现代单电源运放作过很大改进，例如轨到轨，但价格也高得多，在不损失其他性能的前提下，价格通常是普通运放的几倍。

　　对于上述问题，这个电流源的架构无法确切的完全的解决，必须改变架构。

　　利用三极管的镜像原理（IB约等于0，IC=IE），可将负载请出反馈回路，移到电源和C之间，也就达到了与电压源的对应：“负载串联在输出端和电源之间”。