小小的输入失调电压对运放电路的巨大影响

最近在尝试做一个可以多个并联的迷你电子负载,小体积方便放在桌面,上位机控制及显示电压、电流等状态

参数如下:

  1. 单个设备持续功率30W,测电源芯片动态响应时最大功率100W(也就是测试时给30%占空比)

  2. 至少三档可调电流上升沿时间:10us,100us,10ms

  3. 电流范围1mA~3A,高精度模式1mA~100mA,普通模式10mA~3A

  4. 最多三个设备并联,并联后所有设备的电流上升时间还是保持一致,仍然是10us,100us,10ms

第一、二个功能没什么问题,已经实现,但是第三和第四个参数调试时发现运放输入失调电压的巨大影响,导致电流精度不足1mA,且三个设备上升沿时间同步有问题。 由于想要做到1mA精度的电流设定,所以想着用一个5uV失调电压的运放足够了,原本以为硬件上已经没有问题了,结果做主从设备同步时是还是发现了两个硬件上的问题,简单介绍一下万一能为读者避坑呢 :face_savoring_food:

基本框架如下,DAC+运放+MOS构成,当运放与MOS形成负反馈后,由于虚短,运放Vn=Vp=Vdac,即采样电阻上端电压等于Vdac,因此电子负载电流IIN=IRs=Vdac/Rs

基本原理就是这么简单,如果电子负载想要输入电流为0,理论上DAC输出0V电压即可。但是由于运放存在输入失调电压,即**运放形成负反馈平衡时,两个输入端电压并非完全相等,存在失调电压Voffset(Vos),定义VOUT=A(Vp-Vn+Vos),也就是说运放要输出0V,需要满足公式所给的条件。

基于此条件有了两个问题:

第一个问题——无法完美关断(即电子负载吸收0A电流)

当需要设置电子负载输入0A电流时:

  1. Vos>0,电流为0时运放负输入端Vn=0,VOUT=A(Vp-Vn+Vos)>0,那么DAC要输出小于-Vos的电压才能保证运放输出电压向负电源轨(0V)偏移而使IIN为0,但是由于DAC是正电压供电,不可能输出负压,这就导致VOUT=A(Vp-Vn+Vos)永远大于0,因此该条件下无法实现电子负载输入电流为0A。

  2. Vos<0,电流为0时运放负输入端Vn=0,VOUT=A(Vp-Vn+Vos)=A(Vp+Vos)<0,那么DAC只要输出小于Vos绝对值的电压就能保证运放输出电压为0,因此这个条件可以实现电子负载输入0A电流

第二个问题——失调电压导致的状态不确定进而导致同步延迟:

  1. Vos>0,电流为0时运放负输入端Vn=0,即使Vp=0,VOUT=A(Vp-Vn+Vos)>0,运放输出向着正电源轨偏移,直到电子负载吸收的电流在采样电阻Rs上产生的电压即Vn=Vos时,Vout才平稳,此时运放输出电压大约就等于MOS管的开启电压大约3V

  2. Vos<0,电流为0时运放负输入端Vn=0,VOUT=A(Vp-Vn+Vos)>0,运放输出向着负电源轨偏移,直到接近运放负电源轨(0V),因此平衡时运放输出电压接近0V。 当需要主、从机同步吸收电流保证总的电流上升沿斜率一致时,理论上只需要通过IO触发同时让DAC输出一个相同的电压即可,但是由于前面说的Vos正负差异,导致两种情况下运放输出电压起点不同,例如一个0V开始,一个3V开始,且运放带宽和slew rate是有限的,这就产生了延迟。 如下图,t1时刻开始给定DAC电压,t2和t3代表实际上两个电流的延迟,实测可能超过5~10us,这个大小已经等于我的最快档位的10us上升时间了,会导致总的电流上升沿变形、延迟,不可接受。

    这个问题总结来说:主从机同步的瓶颈不在于触发信号的纳秒级偏差,而在于触发前各环路静态工作点(因Vos极性不同)的物理差异,这个差异被运放的有限压摆率放大为了微秒级的电流上升延迟。

解决问题思路

那么如何解决这两个问题呢?

第一个问题原本想过,当时想着可以接受微小的例如100uA级别的静态电流,因此就选了个5uV失调电压的运放就完事了,但是现在想想不如直接解决它。第二个问题是必须解决的。

如何解决呢,首先再想要选择更小的失调电压的运放也没有意义,它总会存在的,只要存在就可能导致这两个问题。因此想要解决需要从DAC输出的电压不能低于0V下手,如果能达到-Vos的输出,就能保证无论Vos为正还是为负,VOUT=A(Vp-Vn+Vos)都能小于0,这样的话就不存在静态电流,也能保证每个设备的运放输出电压起点都是0V,设备间不会由于起点差异导致电流上升沿时间差异。

解决方案:

首先需要一个负压电源,有了负压电源,一是可以给运放双电源供电,避免电子负载输入0A时让运放工作在负压轨附近的恶劣工况下,也能提高线性度。如下是TI的一个文档介绍的内容,也是这个意思。

而是有了负压源Vs之后,再加上运放构成的加法电路,就可以使单电源下只能输出Vref电压的DAC的输出范围变为-Vs~(Vref-Vs),通过软件校准,任意情况下都能实现运放输出0V。

方案敲定后发给D老师看了一下,它给我回的内容里有个开源电子负载的链接,我看了一下里面的方案发现跟我的算是异曲同工,他是通过**给运放负输入端的电流反馈信号加一个正偏置的方式实现运放的负端永远高于正端的0V+Vos,**这样运放输出就可以稳定达到负压轨,与我的方式正好相反。

另外看了他的方案后我突然意识到,做事还是不能闭门造车,我想的解决方法其实别人已经有做过类似的了。另外其实输入失调电压大小不重要,加了负压补偿之后只要再配合软件校准,多大的失调电压也不影响精度,当然失调电压温漂还是有影响,另外他的LM358的带宽可能也不足以支撑我的10us甚至更小的上升时间