一种基于运放的电流驱动电路误差研究_巩明超.pdf

|35实验研究0 引言电液伺服阀最早出现于第二次世界大战期间，是电液伺服系统中的核心控制元件，可通过小功率的电信号控制大功率的液压能输出，基本组成为力矩马达和液压放大器，广泛应用于航空航天领域1。电液伺服阀普遍采用电流驱动的方式，目前常用的电流驱动产生方案有基于集成功率运放、基于普通运放以及全数字式等，功率运放加上外围电路即可组成伺服电流驱动电路，但高集成度的运放带来较大发热，需要额外考虑散热，且价格也较高；相比集成功放，采用普通运放在散热、集成度和价格方面都具有优势2。此外，作为伺服控制系统的核心，电液伺服阀的性能基本上决定了整个机构的性能3，因此对驱动电液伺服阀的电流源精度也有较高的要求。本文基于电液伺服阀驱动，给出一种基于普通运放的电流驱动电路，并对该电路进行误差分析，研究提高该电路输出电流精度的电路参数设计方法。1 电路原理 1.1 拓扑结构电流驱动电路的本质是电压电流(V/I)转换电路。某飞机控制器上使用了一种基于普通运放的电流驱动电路，其拓扑结构如图 1 所示。图 1 所示电路中为采样电阻，将输出电流信号转换为电压信号；2D运放及3R、4R、5R、6R构成差分放大器，将采样电阻转换的电压信号进行比例放大；1D运放的拓扑构成并联负反馈，输入电压iu通过1R产生给定电流，差分放大器输出电压经2R产生反馈电流，两电流做差后经1D运放放大为电压信号；普通运放的驱动能力有限，需通过驱动电路增强电流驱动能力。若将图 1 中运放看成理想运放，即运放的开环放大倍数无穷大、开环输入电阻无穷大，则可利用“虚短虚断”进行电路分析，并且差分放大器常有：3456,RRRR=式(1)因此可以很容易得到输出电流的理论值：420611oiR RiuR R R=式(2)VDDVSS+-uiio+-R1D2R2R6R4R0R3R5D1图 1 某电流驱动电路拓扑结构 1.2 误差原因式(2)为理想情况下的电压-电流转换关系，然而实际电路由于电路结构以及元器件参数不理想的原因，实际输出电流与理论值之间会存在一定的偏差。图 1 所示电路结构利用了闭环控制的思想，其工作原理可抽象为图 2 所示的闭环控制系统。图 2 所示闭环控制系统采用 P（比例）控制策略，比例环节系数为运放的开环输入阻抗乘以开环放大倍数，非理想运放开环放大倍数和开环输入阻抗有限，因此该系统将存在稳态误差，给定电流和反馈电流不完全相等；该闭环控制系统的被控对象是流经采样电阻的电流，由于差分放大环节有输入电阻，因此流经采样电阻的电流无法完全流入负载，会有一部分电流流入差分放大环节；式(2)描述的输出电流与输入电压的转换系数由电路电阻构成，电阻阻值的误差将影响输出电流的实际值；图 2 中给定电流是基于“虚短虚断”计算得到，而非理想运放存在输入失调电压46，导致给定一种基于运放的电流驱动电路误差研究巩明超，郑鑫，黄新阳（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安，710076）摘要：针对电液伺服阀驱动，提出一种基于运放的电流驱动电路，研究该电路输出电流误差，在对输出电流有精度要求的应用场合，为该电路参数设计提供理论依据。结合自动控制原理讨论该电流驱动电路工作原理，分析电流误差产生原因；基于输入失调电压物理含义，建立非理想运放等效模型；基于该模型对该电路进行电路分析，建立输出电流误差数学模型；研究电路参数与输出电流误差关系，给出电路参数设计方法以提高输出电流精度；以某工程应用为例设计电路参数，通过仿真和实验，验证该电路误差分析方法可行、有效。关键词：电流驱动电路；输入失调电压；误差分析；参数设计比例环节功率驱动采样电阻差分放大+-+-给定电压输出电流转换电阻转换电阻给定电流反馈电流图 2 电流驱动电路原理框图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.06.03036|电子制作 2023 年 3 月实验研究电压通过转换电阻产生的给定电流存在误差。总结来说，图 1 所示电流驱动电路输出电流存在误差的原因主要有：(1)电路结构导致的稳态误差；(2)差分放大环节存在输入阻抗带来的误差；(3)电阻阻值偏离额定值带来的误差；(4)运放输入失调电压带来的误差。其中对电流误差影响最大的是运放的输入失调电压。2 非理想运放等效模型理想运放假设了开环增益无穷大并且无输入失调电压，因此理想运放工作在线性区时，其差分输入端电压差为 0，即“虚短路”。实际运放无法做到开环增益无穷大，因此实际运放的输出与差分输入的关系曲线在线性区具有一定的斜率；并且由于输入失调电压的存在，使得实际运放的输出与差分输入的关系曲线不会经过零点，如图 3 所示，实际运放的曲线偏左还是偏右取决于运放内部差分输入级失配的方向。根据图 3 可知，实际运放工作在线性区时，其差分输入端将存在一个电压差，该电压差由两部分构成：(1)为保持运放具有一定的电压输出而需在输入端注入的电压偏差，记为u；(2)运放的输入失调电压，记为osu。uou+-u-uos0实际运放理想运放u 图 3 运放输出与差分输入关系曲线实际运放的开环增益尽管无法做到无穷大，但是其数量级通常在 10 万倍以上，u的数量级通常在“V”级，而osu一般在“mV”级，因此实际运放工作在线性区时，可将u忽略，认为其差分输入端的电压差等于osu的值，即假设实际运放有输入失调电压但是其开环增益无穷大。此外，实际运放开环输入阻抗极大，并且差分输入端电压极小，差分输入端仍可认为“虚断路”，因此实际运放可以用一个理想运放在差分输入端串联一个电压源进行等效，如图4所示，图中输入失调电压的符号可正可负。3 输出电流误差数学模型将图 4 所示的实际运放等效模型用于图 1 所示电流驱动电路中，设置参数如图 5 所示。图中os为1D运放的输入失调电压，2osu为2D运放的输入失调电压。+-+-uos实际运放理想运放输入失调电压u+uosu+图 4 实际运放等效模型VDDVSS+-uiio+-uos1uaR1D2R2R6R4R0R3R5ua+uos2uo1uo2D1uoio2io1图 5 基于实际运放的电流驱动电路分析图图 5 中1D运放构成并联负反馈，因此可有：1112iososouuuuRR=式(3)2D运放构成差分放大器，因此可有：135oaauuuRR=式(4)()()22246oaosaosouuuuuuRR+=式(5)在采样电阻0R输出电流端列KCL电流方程，可有：12oooiii=式(6)其中：1210ooouuiR=式(7)2246ooouuiRR=+式(8)联立式(1)(8)，可得：4641211206141ooososRRRRRiiuuR RRR+=+|式(9)06212246446411oooosRRiiuuRR RRRR=+式(10)将式(10)中流过采样电阻的电流拆为两部分，记：464121206141ososRRRRRiuuR RRR+=|式(11)因此式(6)可表示为：|37实验研究 2oooiiii=+式(12)式(12)中oi为理想情况下电流驱动电路输出电流的理论值，i为运放输入失调电压带来的电流误差，2oi为差分放大环节分流带来的电流误差。4 误差分析及优化 4.1 电路结构带来的误差电路结构带来的误差主要来源于错误!未找到引用源。中 D1 运放反相输入端的输入电流，由于反相输入端的电压为1osu，其数量级在“mV”级，而由于运放开环输入电阻极大，因此 D1 运放反相输入端的输入电流的数量级在“A”甚至“nA”级，其影响可以忽略不计。4.2 差分放大环节分流带来的误差差分放大环节反相输入端的输入电流导致流过采样电阻的电流1oi无法完全流入负载。式(10)中2ou为负载电压，设负载阻抗为LR并代入式(10)中可有：62012464411oL ooosRiR iRiuRRRR=|+式(13)根据式(13)可知，要想减少差分放大环节分流带来的误差，则应尽量增大4R和6R的数量级；并且由于oi和1oi几乎相等，在电路参数设计过程中，使604RRR的数值尽量接近负载的直流阻抗LR也可有效降低差分放大器的分流；2osu的数量级在毫伏级，若4R阻值较大，则2osu对差分放大器分流的影响可以忽略不计。4.3 电阻阻值漂移带来的误差式(2)中电流驱动电路输出电流的理论值oi与输入电压iu之间的比例系数由各个电阻决定，若电阻的阻值存在误差，会导致输出电流偏离理论值。电阻的误差主要来源于电阻制造工艺产生的误差以及电阻的温漂，要想减小电阻带来的电流误差，一方面要选择高精度、低温漂的电阻；另一方面，通过式(2)的结构可知，4R和6R、2R和1R为除法关系，若4R和6R、2R和1R具有相同的温漂系数，则可以大大消除电阻温漂对电流误差的影响。4.4 输入失调电压带来的误差由于运放的输入失调电压可正可负，因此式(11)可进一步处理为：424120616111|ososRRRiuuRRRR+|式(14)运放的输入失调电压由厂家手册规定了其绝对值的最大值，用osU表示+。因此，可将实际输出电流的范围表示为：()2oooiiii=式(15)其中：424120616111ososRRRiUURRRR=+|式(16)式(16)表述了运放输入失调电压对输出电流带来的误差范围的大小。根据式(16)可知，输出电流产生误差的根本原因是运放存在输入失调电压，但产生误差大小又与转换电阻0R、转换电阻的比值21RR、差分放大器的放大倍数64RR有关。为方便讨论输入失调电压对输出电流精度的影响，现将式(2)中输出电流的期望值oi和输入电压的转换比例记为K,即：420611R RKR R R=式(17)将式(16)展开并将式(17)代入，有：()11221201ososososRiKUUUKURR=+式(18)在实际应用中，一旦输出电流与输入电压之间的关系确定，并且运放完成选型，则式(18)中的 K、1osU、2osU将为一个确定的常数。式(18)说明，在运放输入失调电压一定的情况下，调节电路参数，增大21RR和0R可有效降低输入失调电压的影响。但是式(18)中21RR和0R也不能无限增大。的增大导致第二级运放输出端电压的绝对值增大，其受到第二级运放输出电压范围的限制；同样，受到第一级运放的输出电压范围和三极管的驱动电压限制，0R的增大将导致电压柔量变小，使得电流输出范围变小。输入失调电压的大小反映了运放的精度。根据式(18)可知，为提高输出电流精度，一方面应提高运放的精度；另一方面可通过优化电路参数以减小运放输入失调电压带来的影响。但是若盲目地选择高精度运放，一方面带来一定的设计隐患，另一方面将降低经济性和运放选型的灵活性。因此在实际应用中，应根据实际情况，尽量增大21RR和0R，之后结合电路参数和输出电流精度要求，确定所需运放的精度。4.5 电路参数设计方法根据以上误差分析，在电流驱动电路输出电流误差的四个来源中，电路结构带来的误差影响极小，可以忽略不计；电阻阻值漂移带来的误差影响只能通过选择高精度、低温漂的电阻来减小，对电路参数设计没有参考意义；差分放大环节分流带来的误差影响可通过增大4R和6R的数量级，将其减小到可忽略的水平；相比于其他三种误差来源，输入失调38|电子制作 2023 年 3 月实验研究电压带来的误差最大。因此在实际应用中，可使用输入失调电压带来的误差对电路输出电流的总误差进行估算，并根据实际应用中的输出电流精度要求，通过如下方法设计电路参数：(1)0R、1R、2R、4R、6R选用高精度、低温漂电阻；(2)将4R、6R阻值之和的数量级设置在万欧姆以上；(3)确定电压电流的转换系数 K；(4)在满足电路正常工作的前提下，尽量大地选择21RR和0R的值；(5)根据转换系数 K 确定4R和6R的值；(6)根据式(18)计算出对运放输入失调电压的要求，完成对运放的选型。5 仿真及实验验证为验证以上误差分析方法的有效性，以该电路的某工程应用中的运放选型问题为背景，设计电路参数，并进行仿真验证和实验验证。某应用场景中，错误!未找到引用源。所示电路输入电压为0 5V，输出电流为0 100mA，即电压电流转