Лекция 32. Источники тока на операционных усилителях

(Занятие 2.2.2).

 

Вопросы:

1.Разновидности схем источника тока на операционных усилителях.

2. Источники тока для заземленных нагрузок.

3. Основные предостережения по работе с операционными усилителями.

 

Вопрос 1. Разновидности схем источника тока на операционных усилителях.

На рис. 1.1 изображена схема, которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока, без сдвига напряжения U_БЭ, характерного для транзисторного источника тока.

Рисунок 1.1 - Источник тока, приближенный к идеальному

Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение U_вх, под действием которого через нагрузку протекает ток I = U_вхR. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей», а нагрузку заземлить (рис. 1.2). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания.

 

Рисунок 1.2 -   Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.

 

Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы вид этой схемы не смущал вас, напомним, что «земля» — это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать «землей». Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку, но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим, это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного напряжения, отсчитываемого от потенциала земли.

Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей», а нагрузку заземлить (рис. 1.3). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания.

 

Рисунок 1.3 -   Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.

 

Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы вид этой схемы не смущал вас, напомним, что «земля» — это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать «землей». Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку, но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим, это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного напряжения, отсчитываемого от потенциала земли. Методы устранения этого недостатка изложены в той части гл. 6, где рассматриваются источники питания постоянного тока.

Вопрос 2. Источники тока для заземленных нагрузок.

 

С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли (рис. 2.1).

 

Рисунок 2.1 - Источники тока с заземленными нагрузками, не требующие плавающего источника питания.

 

В первой схеме обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное U_KK — U_вх, которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно, и выходной ток), равный I_Э = (U_KK — U_вх)/R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении U_БЭ и его изменениях, связанных с изменениями температуры, I_К, U_КЭ и т. п. Несовершенство этого источника тока (не будем принимать во внимание ошибки ОУ: I_см, U_СДВ) проявляется лишь в том, что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения U_КЭ (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток — небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора T₁ использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.

В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания U_KK; иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания U_KK, и все будет в порядке, если напряжение U_вх является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности. Этого недостатка лишена вторая схема, в которой аналогичный первый источник тока с транзистором n-р-n -типа. служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно U_KK, для оконечного источника тока. Операционные усилители и транзисторы недороги, поэтому запомните такой совет: не раздумывая, включайте в схему дополнительные компоненты, если они позволяют улучшить ее работу и упрощают разработку.

Одно существенное замечание, касающееся последней схемы: операционный усилитель должен работать при условии, что напряжение на его входах близко или равно положительному питающему напряжению. Подойдут интегральные операционные усилители типа 307, 355 или ОР-41. Альтернативный вариант — использование для питания ОУ отдельного источника напряжения U+, превышающего напряжение U_KK.

 

На рис. 2.2 представлен интересный вариант схемы источника тока на основе ОУ и транзисторов.

 

Рисунок 2.2 - Источник тока на полевых и биполярных транзисторах, предназначенный для больших токов.

 

Преимущество этой схемы состоит в том, что базовый ток, приводящий к ошибке в случае использования полевых транзисторов, здесь равен нулю, выходной ток не ограничивается значением I_{СИ (вкл.)}. В этой схеме (фактически — это не источник, а потребитель тока) транзистор Т₂ начинает проводить, когда через транзистор Т₁ протекает ток стока величиной приблизительно 0,6 мА.

При минимальном значении I_СИ для Т₁, равном 4 мА, и подходящем значении β для Т₂ величина тока, протекающего через нагрузку, может достигать 100 мА и более (для получения бóльших токов транзистор Т₂ можно заменить транзистором Дарлингтона, при этом нужно соответственно уменьшить R₁). В данной схеме были использованы полевые транзисторы с p-n -переходом, но еще лучше было бы использовать полевые МОП-транзисторы, так как для ОУ на полевых транзисторах с p-n -переходом требуется расщепленный источник питания, обеспечивающий диапазон напряжения на затворе, достаточный для перехода транзистора в режим отсечки. Ничего не стоит с помощью простого мощного полевого МОП-транзистора (МОП-структура с V-образной канавкой) получить ток побольше, однако мощным полевым транзисторам присущи большие межэлектродные емкости, а представленная здесь гибридная схема как раз и позволяет преодолеть связанные с этим проблемы.

 

На рис. 2.3 показан красивый учебный источник тока. Если резисторы подобраны таким образом, что выполняется соотношение R₃/R₂ = R₄/R₁, то можно показать, что справедливо равенство: I_н = — U_вх/R₂.

Рисунок 2.3 - Источник тока Хауленда.

 

Эта схема всем хороша, кроме одного: резисторы должны быть точно согласованы, иначе источник тока будет далек от совершенства. Но даже при выполнении этого условия определенные ограничения накладывает коэффициент КОСС операционного усилителя. При больших выходных токах резисторы должны быть небольшими, тем самым ограничивается выходной диапазон. Кроме того, на высоких частотах (где, как мы скоро узнаем, усиление в цепи обратной связи невелико) выходной импеданс может существенно уменьшаться — от требуемого бесконечного значения до всего лишь нескольких сотен ом (что соответствует выходному импедансу ОУ с разомкнутой обратной связью). Хоть эта схема и хороша с виду, на практике ее используют редко.

 

Вопрос 3. Основные предостережения по работе с ОУ

1. Правила I и II (сформулированные в прошлой лекции) справедливы для любого операционного усилителя при условии, что он находится в активном режиме, т. е. его входы и выходы не перегружены.

Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал будет срезаться вблизи уровня U_KK или U_ЭЭ. В то время, когда напряжение на выходе оказывается фиксированным на уровне напряжения среза, напряжение на входах не может не изменяться. Размах напряжения на выходе операционного усилителя не может быть больше диапазона напряжения питания (обычно размах меньше диапазона питания на 2 В, хотя в некоторых ОУ размах выходного напряжения ограничен одним или другим напряжением питания). Аналогичное ограничение накладывается на выходной диапазон устойчивости источника тока на основе операционного усилителя.

Например, в источнике тока с плавающей нагрузкой максимальное падение напряжения на нагрузке при «нормальном» направлении тока (направление тока совпадает с направлением приложенного напряжения) составляет U_KK — U_вх, а при обратном направлении тока (нагрузка в таком случае может быть довольно странной, например, она может содержать переполюсованные батареи для получения прямого тока заряда или может быть индуктивной и работать с токами, меняющими направление) — U_вх — U_ЭЭ.

2. Обратная связь должна быть отрицательной. Это означает (помимо всего прочего), что нельзя путать инвертирующий и неинвертирующий входы.

3. В схеме операционного усилителя обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае операционный усилитель обязательно попадет в режим насыщения.

Например, в неинвертирующем усилителе можно было цепь обратной связи заземлить через конденсатор (для того чтобы сделать коэффициент усиления по постоянному току равным единице в усилителе переменного тока на ОУ), но просто подключить его последовательно между инвертирующим и неинвертирующим входами не могли.

4. Многие операционные усилители имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи, которые приведут к ухудшению характеристик или даже к разрушению операционного усилителя.