...

Схемы с токовым выходом добавляют универсальности вашему набору аналоговых инструментов

Несмотря на то, что о токовых зеркалах и таких схемах, как источник тока Хауленда, рассказывают на всех учебных курсах по аналоговой технике, на удивление большое количество инженеров склонно рассматривать выходы точных аналоговых схем исключительно с позиций напряжения. А жаль, так как токовые выходы имеют преимущества в целом ряде ситуаций, включая передачу сигналов по аналоговым петлям (0-20 мА и 4-20 мА) в сильно зашумленных условиях и сдвиг уровней сигналов при большой разности потенциалов без использования методов магнитной или оптической изоляции. В этой статье обобщены некоторые доступные методы и предложен ряд полезных схем.

Получить стабильный выходной ток на удивление несложно. Простейший метод основан на использовании токового зеркала – двух транзисторов, изготовленных на одном кристалле, а значит, имеющих идентичные характеристики, геометрию и температуру, и соединенных, как показано на Рисунке 1. Напряжения база-эмиттер обоих устройств одинаковы, поэтому выходной ток, текущий в коллектор T2 равен входному току, втекающему в коллектор T1.

Рисунок 1. Основная схема токового зеркала.

Этот анализ подразумевает, что транзисторы T1 и T2 идентичны и изотермичны, а их коэффициенты усиления тока настолько велики, что базовыми токами можно пренебречь. В анализе также игнорируется напряжение Эрли, из-за которого коллекторный ток меняется с изменением коллекторного напряжения.

Такие токовые зеркала можно делать на основе n-p-n или p-n-p транзисторов. Если T2 собрать из n транзисторов, соединенных параллельно, выходной ток будет в n раз больше входного, как показано на Рисунке 2а. Если T1 состоит из m транзисторов, а T2 – из n транзисторов, то выходной ток будет в n/m раз больше входного тока, как показано на Рисунке  2б.

Рисунок 2. Многокаскадное токовое зеркало (а) и токовое зеркало с нецелочисленным
отношением токов (б). Три коллектора T2 могут быть объединены, чтобы
получить ток 3IIN.

Если влиянием эффекта Эрли пренебрегать нельзя, его можно свести к минимуму, используя несколько более сложное токовое зеркало Уилсона. На Рисунке 3 показаны как трех-, так и четырехтранзисторная версии. Четырехтранзисторная версия точнее и имеет более широкий динамический диапазон.

Рисунок 3. Токовое зеркало Вильсона. Транзистор T4 в этой схеме необязателен,
но он улучшает точность и динамический диапазон.

Когда нужен транскондуктивный усилитель (напряжение на входе/ток на выходе), сделать его можно на основе операционного усилителя с однополярным питанием, полевого транзистора с p-n переходом или МОП транзистора (наилучшим выбором обычно является MOSFET из-за отсутствия ошибки, вносимой базовым током) и прецизионного резистора, определяющего передаточную проводимость (Рисунок 4).

Рисунок 4. Транскондуктивный усилитель. VIN –> IOUT.

Эта схема и проста, и дешева. Напряжение на затворе MOSFET устанавливает ток через транзистор и резистор R1 таким, чтобы падение напряжения V1 на резисторе было равно входному напряжению VIN.

Если токовое зеркало должно быть элементом монолитной микросхемы, то идеально подойдут простые транзисторные токовые зеркала. Однако при использовании дискретных схем высокая цена согласованных пар транзисторов (из-за ограниченного спроса на них, а не из-за каких-либо производственных трудностей) делает токовое зеркало на операционном усилителе, показанное на Рисунке 5, наименее дорогим подходом. В этом токовом зеркале используется транскондуктивный усилитель плюс один дополнительный резистор.

Рисунок 5. Токовое зеркало на операционном усилителе.

Токовые зеркала имеют относительно высокий, иногда нелинейный входной импеданс, поэтому они должны питаться от источника тока с высоким выходным сопротивлением (который иногда называют жестким источником тока). Если вход тока должен иметь низкий импеданс, требуется операционный усилитель. На Рисунке 6 показаны два токовых зеркала с низкими входными импедансами.

Рисунок 6. Токовые зеркала с низкими входными импедансами: (а) – инвертирующее,
(б) – неинвертирующее.

В базовых схемах токовых зеркал и источников тока полярность входного и выходного тока одинакова. Обычно эмиттеры/истоки выходных транзисторов заземлены напрямую или через токоизмерительный резистор, а выходной ток течет от коллектора/стока к нагрузке, другой вывод которой подключен к источнику питания. Это не всегда удобно, особенно когда один вывод нагрузки должен быть заземлен. Но это не проблема, если эмиттер/исток схемы могут быть подключены к источнику питания, как показано на Рисунке 7.

Рисунок 7. Токовое зеркало для заземленной нагрузки.

Если входной ток или напряжение привязаны к земле, необходимо использовать схему сдвига уровня. Есть различные варианты схем, но система, показанная на Рисунке 8, подходит для многих ситуаций. В этой простой схеме используется источник тока со стороны земли для управления токовым зеркалом, подключенным к источнику питания, который, в свою очередь, управляет нагрузкой. Заметим, что токовое зеркало может иметь усиления, поэтому сигнальный ток не обязательно должен быть таким большим, как ток нагрузки.

Рисунок 8. Токовые зеркала со сдвигом уровня.

Схемы, которые мы обсуждали до сих пор, являются однополярными – ток течет в одном направлении, – но также возможно создавать схемы с биполярным током. Самым простым и наиболее известным является токовый насос Хауленда, показанный на Ррисунке 9. С этой простой схемой связан ряд проблем: для получения высокого выходного импеданса требуется очень точное согласование резисторов; импеданс входного источника добавляется к сопротивлению R1, поэтому он должен быть очень низким, чтобы минимизировать ошибку согласования; напряжения питания должны быть существенно выше максимального выходного напряжения и коэффициент подавления синфазного сигнала операционного усилителя должен быть достаточно хорошим.

Рисунок 9. Токовый насос Хауленда. Биполярный выходной ток.

Современные высококачественные инструментальные усилители недороги, поэтому довольно просто создать биполярный источник тока, используя операционный усилитель (OPAMP), инструментальный усилитель (IN-AMP) и токоизмерительный резистор, как показано на Рисунке 10. Такие схемы проще, чем насос Хауленда, не зависят от резисторных цепей (кроме той, что интегрирована в инструментальный усилитель) и могут иметь размах напряжения в пределах примерно 500 мВ до каждой шины питания.

Рисунок 10. Биполярный источник тока на операционном и
инструментальном усилителе.

Схемы, которые мы рассматривали до этого момента, представляют собой усилители с прецизионными токовыми выходами. Их, конечно, можно использовать с фиксированным входом в качестве точных источников тока, но можно построить и более простые двухполюсные источники тока. Слаботочный источник опорного напряжения ADR291 в режиме ожидания потребляет около 10 мкА и имеет типовой температурный коэффициент 20 нА/°C. При добавлении сопротивления нагрузки, как показано на Рисунке 11, опорный ток в диапазоне напряжений питания от 3 до 15 В составляет (2.5/R + 0.01) мА, где R – сопротивление нагрузки в кОм.

Рисунок 11. Двухполюсный источник тока.

Если высокая точность не требуется, и все что нужно – это надежный униполярный источник тока, он может быть построен с использованием полевого транзистора с p-n переходом, работающего в режиме обеднения, и резистора. Эта схема, показанная на Рисунке 12, не особенно устойчива к температуре, и при заданном сопротивлении R ток может иметь значительный разброс от устройства к устройству, но она простая и недорогая.

Рисунок 12. Источник тока на полевом транзисторе
с p-n переходом.

Недавно мне потребовалось запитать несколько светодиодов. Друзья-инженеры думали, что у меня возникнут проблемы с регулируемым источником тока, необходимым для управления яркостью. На самом деле, чтобы выполнить эту работу, я быстро доработал несколько блоков питания для ноутбуков, купленных за гроши на барахолке. На Рисунке 13 показана простая модификация схемы, которая питает светодиоды постоянным током. При небольших выходных токах он нормально работает при фиксированном выходном напряжении.

Рисунок 13. Источник питания ноутбука, модифицированный для ограничения выходного тока.

Чтобы сделать ток регулируемым, опорное напряжение – от блока питания или местное – подается на потенциометр, обозначенный как P1 и P2. OPA2 и MOSFET пропускают небольшой ток через резистор R1, создавая на нем падение напряжения. Ток нагрузки проходит через токоизмерительный резистор RSENSE. Если падение напряжения на токоизмерительном резисторе, обусловленное током нагрузки, превысит падение на резисторе R1, уровень напряжения на выходе усилителя OPA1 станет высоким, блокируя управление напряжением в блоке питания и ограничивая его выходное напряжение, чтобы не допустить превышения предельного значения выходного тока.

Это обсуждение основных идей источников тока не заменяет подробных фирменных указаний по применению. Некоторые схемы требуют дополнительных проектных работ по ограничению (или рассеиванию) тепла, обеспечению устойчивости усилителя и исключению превышения допустимых максимальных значений, а также расчету практически реализуемых предельных технических характеристик.

Ссылки

  1. AN-1208 Application Note. Programmable Bidirectional Current Source Using the AD5292 Digital Potentiometer and the ADA4091-4 Op Amp. Analog Devices, Inc., 2013.
  2. Circuit Note CN-0099. High-Precision, Low-Cost Current Sources Using the AD8276 Difference Amplifier and the AD8603 Op Amp.
  3. Circuit Note CN-0151. Versatile High-Precision Programmable Current Sources Using DACs, Op Amps, and MOSFET Transistors.
  4. Murnane, Martin. AN-968 Application Note. Current Sources: Options and Circuits. Analog Devices, Inc., 2008.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
Серафинит - АкселераторОптимизировано Серафинит - Акселератор
Включает высокую скорость сайта, чтобы быть привлекательным для людей и поисковых систем.