Высокоимпедансный источник втекающего и вытекающего тока на основе операционного усилителя

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2017

Alfredo H Saab и Steve Logan, Maxim Integrated

EDN

При разработке таких электронных узлов, как источники смещения датчиков, усилителей или генераторов сигналов специальной формы, часто бывают нужны управляемые источники постоянного втекающего или вытекающего тока. Эти схемы обладают высоким динамическим выходным сопротивлением, и в пределах допустимых диапазонов напряжений источника питания способны обеспечивать относительно большие токи. Источник постоянного тока можно собрать на основе операционного усилителя (ОУ) и дискретного внешнего транзистора, но также и с помощью одного операционного усилителя и нескольких резисторов можно сделать биполярный вариант или источник втекающего тока (Рисунок 1). Все схемы источников постоянного тока, представленные на Рисунках 1а-1в, предлагают различные компромиссы между точностью, динамическим сопротивлением и диапазоном доступных токов.

Рисунок 1.	Этот сборник схем источников постоянного тока включает источники втекающего (а, б, в), биполярного (г) и вытекающего (д) тока.

На Рисунке 1г изображена схема биполярного источника тока с более простой конфигурацией цепи обратной связи, чем у обычного токового насоса Хауленда, который требует положительной обратной связи и имеет непостоянное выходное сопротивление. На Рисунке 1д показан источник вытекающего тока. Все эти схемы отличаются высокой линейностью зависимости выходного тока от входного напряжения.

Выходной ток схемы на Рисунке 1а содержит неопределенную составляющую, обусловленную собственным током потребления ОУ, который прибавляется к расчетному выходному току. Впрочем, током покоя таких ОУ, как, например, MAX4162, у которого он равен примерно 25 мкА, в большинстве приложений можно пренебречь. Схема на Рисунке 1б ведет себя похожим образом, но собственный ток потребления не прибавляется, а вычитается. Схема источника втекающего тока на Рисунке 1в не подвержена влиянию собственных токов ОУ, а схема на Рисунке 1г имеет биполярный выход, ток которого может быть как втекающим, так и вытекающим, в зависимости от полярности входного напряжения. Его характеристики зависят от степени совпадения сопротивлений пар резисторов R₁, R₂ и R₃, R₄, а также от близости абсолютных значений напряжений положительной и отрицательной шин питания. Любые различия между абсолютными значениями напряжений питания проявляются в виде тока смещения при нулевом входном напряжении. Чтобы добиться нечувствительности к вариациям напряжения питания, схема на Рисунке 1д требует точного согласования сопротивлений пар резисторов R₂, R₃ и R₄, R₅.

Для расчета выходных токов схем, изображенных на Рисунке 1, можно использовать следующие формулы. Отметите внимание, что во всех этих примерах сопротивление нагрузки R_LOAD = 100 Ом.

Для Рисунка 1а

для Рисунка 1б

для Рисунка 1в

для Рисунка 1г

и для Рисунка 1д

Формула для схемы на Рисунке 1г подразумевает, что сопротивления и напряжения хорошо согласованы: R₃ = R₄, R₁ = R₂ и V+ = V–. Кроме того, предполагается, что сопротивление резистора R₄ больше, чем R₁.

Рисунок 2.	Эти графики показывают зависимости выходного тока от выходного напряжения для схем на Рисунке 1. Обратите внимание, что динамическое выходное сопротивление RDYN не сильно отличается от сопротивления идеального источника, для которого ΔVOUT/ΔVIN = ∞. (VOUT – выходное напряжение).

Графики зависимости выходного тока от выходного напряжения, приведенные на Рисунке 2 для одинаковых значений номинальных выходных токов, дают представление о динамических сопротивлениях схем и диапазонах полезных выходных напряжений. Номинальный выходной ток специально выбран большим (5 мА), чтобы нагляднее отобразить характеристики схем в верхней части диапазона. Вы можете оптимизировать динамическое сопротивление и диапазон токов каждой схемы в соответствии с требованиями конкретного приложения, выбрав подходящие операционные усилители и номиналы резисторов.

Материалы по теме