Источники тока с заземленной нагрузкой.

Схемы источников тока этого типа приведены на рисунках.

Источник тока, управляемый напряжением, для заземленной нагрузки (схема Хоуленда):

а — типовая конфигурация, б—с буферным повторителем

На рисунке а) изображена так называемая схема Хоуленда в типовой конфигурации. Принцип ее действия состоит в том, что выходной ток измеряется по падению напряжения на резисторе R ₅. Выходное напряжение ОУ устанавливается таким, что падение напряжения на резисторе R ₅ оказывается пропорциональным величине входного напряжения.

Выходной ток источника будет иметь вид:

Выполняя тонкую подстройку, например посредством регулировки R ₃, можно добиться весьма точного выполнения условия практически бесконечного выходного сопротивления источника тока на низких частотах при реальных характеристиках операционного усилителя.

Можно усовершенствовать схему Хоуленда, включив между выходом схемы и резистором R ₄ буферный повторитель б). При этом условие независимости выходного тока от напряжения на нагрузке заметно упростится

и появится возможность регулировать коэффициент передачи схемы изменением сопротивления резистора R ₅. Связь между входным напряжением и выходным током выражается формулой

Недостаток схем, приведенных на этих рисунках, состоит в том, что полная балансировка источника тока невозможна.

 

Этого недостатка лишена схема, приведенная на следующем рисунке.

Источник тока на цепочке ОУ в инвертирующем включении

 

Здесь входной резистор присоединен к виртуальному нулю. Другое достоинство этой схемы состоит в отсутствии синфазного сигнала.

Выражение для выходного тока имеет вид

 

Инверторы сопротивления.

Иногда возникает необходимость использования отрицательного сопротивления, например, для компенсации потерь и повышения добротности колебательных контуров. Для обычного двухполюсника направление тока и напряжения совпадают и его сопротивление положительное: R = V / I. Если же в двухполюснике направления протекающего тока и приложенного напряжения не совпадают, отношение V / I будет отрицательным. Говорят, что такой двухполюсник обладает отрицательным сопротивлением. Физически это означает, что этот двухполюсник не рассеивает, а отдает энергию во внешнюю цепь. Поэтому отрицательные сопротивления могут быть получены только с применением активных схем, которые называют инверторами сопротивления.

Схема инвертора сопротивления

 

Выходное напряжение идеального ОУ определяется как

Входной ток усилителя равен

При выводе этих соотношений предполагалось, что схема находится в устойчивом состоянии. Однако, поскольку операционный усилитель охвачен одновременно положительной и отрицательной обратными связями, следует принять меры, чтобы выполнялись условия устойчивости. Физический смысл условий устойчивости для схемы инвертора сопротивления с идеальным ОУ при резистивных обратных связях заключается в том, что глубина положительной обратной связи должна быть меньше, чем отрицательной. Для этой схемы означает, что сопротивление источника входного сигнала R _S должно быть меньше R ₂.

Примером практического применения инвертора сопротивления является схема неинвертирующего интегратора.

 

Неинвертирующий интегратор:

а — эквивалентная схема, б — схема неинвертирующего интегратора на ОУ

 

На а) приведена эквивалентная схема интегратора в виде интегрирующей RC -цепочки, содержащей резистор с отрицательным сопротивлением. Роль резистора с отрицательным сопротивлением выполняет инвертор сопротивления б).

 

Гираторы.

Для физического или полунатурного моделирования может понадобиться катушка с индуктивностью в несколько сотен Генри. Это очень громоздкое и дорогое сооружение. В этом случае может помочь гиратор.

Гиратор:

а — эквивалентный четырехполюсник, б — схема гиратора на двух ОУ

Гиратором называют четырехполюсник, полное входное сопротивление которого (Z_ВХ) является обратным по отношению к полному сопротивлению нагрузки (Z_Н), т. е. имеет место соотношение Z_ВХ× Z_Н = к ², где к некоторая постоянная. В частности, гиратор может преобразовать индуктивное сопротивление в емкостное, и наоборот.

Так, например, используя высококачественный конденсатор умеренной емкости и операционные усилители, можно собрать схему, которая по отношению к остальной части цепи будет проявлять себя как катушка большой индуктивности (так называемая электронная индуктивность).

Эквивалентная схема четырехполюсника приведена на а). Уравнения идеального гиратора в системе Y-параметров имеют вид:

Отсюда следует, что входной ток гиратора пропорционален его выходному напряжению, и наоборот.

Гиратор можно реализовать на двух инверторах сопротивления б). Считая ОУ идеальными, запишем уравнения по первому закону Кирхгофа для их входов

что соответствует уравнениям гиратора.

Простая схема эквивалента индуктивности на основе неинвертирующего повторителя, приведена на следующем рисунке.

Схема гиратора некритичная к параметрам элементов.

 

Схема моделирует катушку с индуктивностью L = CR ₂ R ₁ и сопротивлением постоянному току, равным R ₂.