高电流脉冲源需求

作者：Xavier Ramus    德州仪器

在过去 15 年间我用了大量时间在实验室里进行器件评估，得出了新的测量方法及方案。一种我没有遇到过的情况就是，有一种能够帮助我生成电流脉冲的电源。
在之前的几篇博客文章中我写到了有关电流反馈放大器及其用途方面的内容,以及如何使用跨导放大器开发振荡器。同时，我在放大器方面的同事 Soufiane Bendaoud 最近也对我的电流反馈放大器博客文章进行了详细说明。
本文并没有特别明显的不同之处，我将继续介绍另一款跨导放大器 — 电流模式放大器，并将介绍将其用于开发高输出电流的电流脉冲源。
对于本次实验，我将使用鲜为人知的 OPA615 放大器。如果查看产品说明书，您就会发现这款放大器最初是作为模拟视频功能的 DC 恢复功能开发的，几年前被集成到更低功耗的更小外形封装中。OPA615 器件的优势在于它具有两个跨导放大器和一个集成开关。这三个元件的结合能够使器件具备极高的灵活性，实现纳秒脉冲积分器以及采样保持功能。开关速度很快，控制延迟时间为 2.5ns。查看图 1 中的 OPA615 方框图。

图 1：OPA615 方框图
如图 1 所示，第一个跨导放大器其实是一个比较器，实际上是紧挨一个开关的差分对输入。注意：该比较器输出是一个电流源。比较器与开关组成采样比较器 (SC)，这正是其优势所在。运算跨导放大器 (OTA) 模块在这里可以忽略。
这里的几个重要参数是 SC 模块的 350MHz 带宽及 ±20mA 输出电流容量以及开关的 2.5ns 控制传输延迟时间。为了增大输出电流，我们将依次使用两个电流镜来提供所需的电流放大功能。一个电流镜采用 NPN 晶体管，另一个则采用 PNP 晶体管，如图 2 所示。

图 2：脉冲电流源方框图
尽管 SC 的输出是双极性，但我们开发的是单极性输出，可快速评估该电源的可行性和性能。
我们将晶体管阵列用于电流镜实施，最初是想获得 200mA 以上的电流，但是由于封装的散热限制，只能在每个电流镜中加入三个四晶体管阵列，总共 12 个晶体管。因此，电流镜比例是 1:11。在每个晶体管中保持相同的电流密度，避免局部过热，敬请参见图 3。

图 3：NPN 电流镜的实施
下列图 4 给出了针对 1.8A 500ns 电流脉冲和 200mA 5ms 电流脉冲的脉冲响应。

图 4：1.8A 500ns 电流脉冲（上），200mA 5ms 电流脉冲（下）
为避免负载引起的电流源电压合规性限制问题，我们选择用晶体管来处理 60V 电压，并从 ±5V 电源单独调整电源。在上图中，+20V 用于电流源，而 ±5V 则用于 OPA615 的电源。