Источник тока управляемый напряжением

Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение во всех условиях или обеспечивает заданный ток во всех условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, приблизиться к теоретическому источнику напряжения значительно проще, чем к теоретическому источнику тока. Источники напряжения бывают простыми, такими как аккумулятор, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

Источники тока, напротив, обычно требуют некоторой продуманной схемы и большего внимания к деталям своей работы.

Архитектуры источников тока

Для создания источника тока существуют различные способы. Прежде чем мы рассмотрим схему с двумя операционными усилителями, давайте кратко рассмотрим некоторые другие варианты. Вы можете узнать обо всех них подробнее, кликнув на соответствующие ссылки.

Рисунок 1 Схема взята из технического описания LT3085

Другой вариант – схема на основе усилителя, которую я обсуждал в предыдущей статье о том, как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока. Схема на основе усилителя отдаленно напоминает схему с двумя операционными усилителями, но один из усилителей представляет собой не операционный усилитель, а измерительный (инструментальный усилитель).

Рисунок 2 – Схема источника тока, программируемого напряжением. взята из технического описания LT1102

Наконец, у нас есть источник тока Хауленда, который был тщательно проанализирован в статье, написанной доктором Серджио Франко.

Рисунок 3 Схема источника тока Хауленда

Схема с двумя операционными усилителями

Я нашел эту схему, которая описывается как «прецизионный источник ток», в старой заметке к применению от Analog Devices. Она производит ток на двунаправленном выходе, прямо пропорциональный входному напряжению.

Ниже показана принципиальная схема:

Рисунок 4 Схема прецизионного источника тока

В этой схеме мне нравятся несколько вещей. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, используются операционные усилители одинаковой модели. В этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в источнике Хауленда используется только один. Но тот факт, что оба операционных усилителя могут быть одной модели, является преимуществом, потому что вы можете использовать микросхему с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые расходы (дополнительная стоимость и место на плате) для второго операционного усилителя.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковые номиналы, и тогда коэффициент усиления по отношению тока к напряжению регулируется только одним резистором (R1). Номинал R2–R5 не является критическим, и поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут давать в результате более точный источник тока.

В-четвертых, входное напряжение дифференциальное. Это дает вам некоторую гибкость в том, как вы подаете управляющее напряжение, и это позволяет вам использовать возможности двунаправленного выхода тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, которое находится ниже уровня земли.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Рисунок 5 Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку AV = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Рисунок 6 Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1. Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно Iвых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.

Заключение

Мы кратко рассмотрели схему двунаправленного источника тока, которая имеет разумные требования к перечню элементов и включает в себя входной каскад дифференциального управляющего напряжения. В следующей статье мы будем использовать LTspice для более подробного анализа производительности этой схемы.

Связанная информация

  • Анализ характеристик прецизионного источника тока в LTspice
  • Моделирование источника тока при погрешностях сопротивлений резисторов и изменяющейся температуре
  • Влияние напряжения смещения на точность источника тока

Как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока

Когда всё, что вы делаете, это рисуете схему, источники напряжения и тока одинаково легко реализовать. Однако, войдя в реальный мир схемотехники, мы постепенно понимаем, что создание более или менее стабильного тока по какой-то причине намного сложнее, чем создание более или менее стабильного напряжения. Однако это не меняет того факта, что источники тока иногда очень полезны, и хорошо, что умные инженеры создали множество практических схем источников тока.

Краткий обзор источника тока

В данной статье я хочу поделиться с вами интересным источником тока, который я нашел в старой заметке по применению, опубликованной Linear Technology. Однако сначала я должен упомянуть другие типы источников тока, которые обсуждаются в существующих статьях на RadioProg.

Если вы хотите перейти на уровень транзисторов, у нас есть статьи о токовом зеркале на MOSFET транзисторах и токовом зеркале на биполярных транзисторах. Если вы предпочитаете использовать операционные усилители, источник тока Хауленда вырабатывает ток, управляемый напряжением, и требует только одного операционного усилителя и четырех резисторов.

Рисунок 1 Источник тока Хауленда

Если вам не нравится работать с дискретными транзисторами и (по какой-то причине) у вас нет под рукой операционных усилителей, возможно, вы захотите преобразовать один из ваших линейных стабилизаторов напряжения в источник тока.

Источник тока Джима Уильямса

Это ни в коем случае не официальное название схемы, и я, конечно, не хочу иметь в виду, что это единственный источник тока, который когда-либо проектировал Джим Уильямс – я не удивлюсь, если узнаю, что он придумал полдюжины инновационных, высокопроизводительных схем источников тока. Тем не менее, он является автором заметки о применении, и я не знаю, как еще назвать эту схему.

Как показано на схеме ниже, для этого источника тока требуются две микросхемы усилителей и несколько пассивных элементов.

Рисунок 2 – Схема источника тока, программируемого напряжением. взята из технического описания LT1102

LT1006 – это типовой прецизионный операционный усилитель, а LT1102 – высокоточный инструментальный усилитель. Информация по применению была опубликована в 1991 году, так что это старые микросхемы. Я использовал LT1006 и LT1102 в своем моделировании (которое будет обсуждаться в следующей статье), чтобы убедиться, что в моделировании всё соответствует исходной конструкции, и, фактически, интернет-магазины по-прежнему классифицирует оба этих компонента как «производимые». Тем не менее, я рекомендую вам поэкспериментировать с некоторыми более новыми (и предположительно более производительными) заменами этих устаревших микросхем.

В следующем списке представлены некоторые характеристики схемы источника тока Джима Вильямса.

  • Она управляется напряжением и является двунаправленной – величина и направление тока нагрузки определяются величиной и полярностью входного напряжения.
  • В качестве опорной точки она использует землю; одна сторона сопротивления нагрузки подключена непосредственно к земле.
  • Как показывает формула, включенная в рисунок выше, на величину тока также влияет R, то есть номинал резистора, помещенного между входными выводами инструментального усилителя.
  • Если для R вы используете резистор очень высокой точности, и погрешность, вносимая этим компонентом, незначительна, начальная точность и температурная стабильность схемы соответствуют точности коэффициента усиления и температурному коэффициенту инструментального усилителя.
  • Схема имеет хорошую стабильность и совместима с быстрыми изменениями входного напряжения.

Принцип работы схемы

Ключом к работе этого источника тока является использование инструментального усилителя. Измеряя напряжение на фиксированном сопротивлении, включенном последовательно с нагрузкой, мы можем генерировать выходной ток, на который не влияет значение сопротивления нагрузки.

Ниже представлена моя попытка пошагового объяснения того, как работает эта схема.

Рисунок 3 Пояснение работы схемы источника тока

  1. Операционный усилитель (A1) работает в схеме с отрицательной обратной связью. Наличие инструментального усилителя (A2) в тракте обратной связи не меняет того факта, что петля обратной связи замкнута.
  2. Наличие отрицательной обратной связи позволяет нам использовать упрощение о виртуальном коротком замыкании. Таким образом, выход A2 должен быть равен входному напряжению.
  3. Виртуальное короткое замыкание не возникает из ниоткуда; скорее, виртуальное короткое замыкание вызвано действием выхода операционного усилителя. Поскольку A2 имеет коэффициент усиления 100, выход A1 будет делать всё необходимое, чтобы напряжение на R было равно входному напряжению, деленному на 100.
  4. Поскольку R – фиксированное сопротивление, и поскольку напряжение на R всегда пропорционально входному напряжению, мы знаем из закона Ома, что ток через R всегда будет пропорционален входному напряжению.
  5. Поскольку нагрузка включена последовательно с резистором R, выходной ток всегда пропорционален входному напряжению, независимо от сопротивления нагрузки (конечно, в определенных пределах – например, вы не сможете обеспечить ток 10 мА через нагрузку 1 МОм, конечно если вы не сможете найти усилители, которые принимают напряжение питания до 10 000 В или около того).
  6. Конденсатор и другой резистор определяют частотную характеристику схемы, и я предполагаю, что их значения были выбраны таким образом, чтобы создать необходимый запас по фазе.

Заключение

Мы рассмотрели простую схему двунаправленного источника тока, которая построена на основе высокоточного операционного усилителя и высокоточного инструментального усилителя.

В следующей статье мы воспользуемся моделированием LTspice для дальнейшего изучения работы и производительности этой схемы.

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-3. Усилитель в режиме ИТУН

Незабываемый кадр из незабываемого фильма. Сейчас Марти МакФлай вжарит.

В этой части проекта читателю предлагается проверить эффективный способ достижения высококачественного звуковоспроизведения, заключающийся в переводе традиционного УМЗЧ (источника напряжения, управляемого напряжением) в источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Также упоминается подход, основанный на комбинированной отрицательной обратной связи по току и напряжению.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

? Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

↑ Эксперименты с ИТУН

Легким движением паяльника усилитель Питера Смита превращается в источник тока, управляемый напряжением — ИТУН (рис. 1). Дополнительно установленные элементы обведены на рисунке пунктирной линией. Обязательно проверьте это техническое решение. Следует, однако, учесть, что акустическая система (АС) должна быть широкополосной (однополосная или двухполосная АС с простейшими фильтрами не выше первого порядка). У меня акустической системой служили четырехваттные динамики в исполнении открытый ящик от переносного электрофона.
Чувствительность усилителя с входа составляет около 0,5 В.

Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

Токовое управление громкоговорителями показывает ряд преимуществ по сравнению с усилителями с малым выходным сопротивлением [1 — 6]:
• Существенно снижаются нелинейные и интермодуляционные искажения;
• Уменьшается неравномерность АЧХ и расширяется полоса воспроизводимых частот;
• Улучшается импульсная характеристика громкоговорителя.
• Существенно улучшается разборчивость фонограмм, что важно для людей с пониженным слухом.

Находясь под впечатлением от настоящего эксперимента, читатель задастся рядом вопросов: «Куда смотрит аудиоиндустрия? Почему такое значительное улучшение качества звуковоспроизведения от использования токовых усилителей до сих пор не замечено? Неужели трудно создать серийные усилители звуковой частоты с токовым выходом?».

Однако вопрос заключается не в создании серийных образцов токовых усилителей, а в их согласовании с акустическими системами. Последние проектируются в расчете на низкое выходное сопротивление усилителей (питание от источника напряжения), при этом обеспечивается правильный тональный баланс и плоская АЧХ.

Попытка подключения ИТУН (генератора тока) к многополосной акустической системе приведет к сбою тонального баланса, сведя на нет снижение искажений.
Кроме того, значительные проблемы наблюдаются вблизи резонансных частот динамических головок, где модуль полного сопротивления начинает возрастать. Поскольку напряжение на выходе токового усилителя пропорционально сопротивлению нагрузки, напряжение на головке также возрастает, что приводит к перегрузке с резким ухудшением качества звуковоспроизведения.

Поэтому требуется изменение методики проектирования многополосных АС, рассчитанных на токовое управление.

И все же до такой степени заметное улучшение качества звучания столь доступным способом не может остаться без внимания (хотя бы радиолюбителей). Усилители с обратной связью по току можно с успехом использовать в качестве полосовых при конструировании активных акустических систем с активным кроссовером (многополосным разделительным фильтром перед полосовыми УМЗЧ).

В статье [2] Сергей Агеев надеялся порадовать любительскую общественность конструкцией высококачественного четырехполосного громкоговорителя на основе распространенных динамических головок, построенных на базе предложенных им принципов снижения искажений.
Но как гласит известная пословица «Хочешь рассмешить бога – настрой планов!». Неоднократно убеждался в ее справедливости на собственном опыте.

↑ Комбинированная ООС по току и напряжению

Значительно расширяет поле деятельности любителей подход, основанный на использовании комбинированной отрицательной обратной связи по току и напряжению, позволяющий строить усилители, обладающие ненулевым выходным сопротивлением [5, 7 — 9].

При этом:
• Улучшаются условия работы головки громкоговорителя и снижаются его нелинейные искажения;
• Возрастают электрическая и полная добротность низкочастотного громкоговорителя, что изменяет его АЧХ в области низких частот.

Комбинированная обратная связь по напряжению и току эффективно уменьшает переходные интермодуляционные искажения, повышает точность воспроизведения атаки звукового сигнала и дает, пожалуй, наибольший эффект в улучшении качества звуковоспроизведения.

С практической точки зрения следует выделить публикации нашего согражданина-датагорца Игоря Рогова [7, 8], в которых рассмотрены схемы построения УМЗЧ с ненулевым выходным сопротивлением для инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Также разработана программа расчета, дополненная примером оценки АЧХ громкоговорителя в акустическом оформлении «закрытый ящик» при подключении его к указанному усилителю [8].

Показанная на рис. 1 схема – не «чистый» преобразователь напряжения в ток (ИТУН), а усилитель с комбинированной отрицательной обратной связью по току и напряжению. Ее особенность заключается в том, что она позволяет получить необходимое выходное сопротивление усилителя.

Регулировка выходного сопротивления осуществляется путем изменения сопротивления резистора R8. Требуемое выходное сопротивление поможет выбрать табл. 1. Обратите внимание, что выходное сопротивление Rвых не зависит от сопротивления нагрузки (АС). Изменяется лишь коэффициент передачи усилителя.

Как видно из табл. 1, выходное сопротивление усилителя может меняться в довольно широких пределах, позволяя найти оптимальное качество звучания. Обычно оно соответствует выходному сопротивлению, соизмеримому с сопротивлением нагрузки. Здесь выполнено соотношение Rн/R9=R5/R4, чтобы коэффициент усиления не зависел от значения R8.

Можно провести расчет параметров цепей обратной связи УМЗЧ таким образом, чтобы коэффициент передачи усилителя (Ku=25,2 дБ) был постоянным для сопротивлений нагрузок Rн=4; 6 и 8 Ом. В этом случае выходное сопротивление Rвых для каждой Rн будет определяться своим значением R8 (Табл. 2).

Настоятельно советую на практике познакомиться с этой интересной стороной взаимодействия УМЗЧ и АС.
Вполне можно отказаться от цепи R4, C3, что, однако приведет к изменению коэффициента усиления УМЗЧ при установке требуемого выходного сопротивления усилителя резистором R8.

Необходимая информация для экспериментов приведена на рис. 2 и в табл. 3.

Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

При R4 более 1 кОм емкость конденсатора С3 может быть уменьшена до 100 мкФ.

↑ Недостатки ИТУН и усилителей с регулируемым выходным сопротивлением

Я вижу два основных недостатка:

1. Усилители с токовым выходом и регулируемым выходным сопротивлением не универсальны, весьма чувствительны к акустическим системам. На ряде АС увеличение выходного сопротивления не приводит к улучшению качества звучания, часть АС начинает «бубнить».

2. С повышением уровня входного сигнала быстрее растут интермодуляционные искажения на низких частотах по сравнению с питанием АС от источника напряжения.
Данный эффект вызван снижением магнитной индукции в крайних положениях диффузора громкоговорителя. Поскольку в ИТУН и усилителях с регулируемым выходным сопротивлением сила со стороны катушки прямо пропорциональна силе тока и магнитной индукции в зазоре катушки, снижение индукции приводит к появлению гармоник (в основном второй и третьей).
В усилителях с питанием от источника напряжения ток в катушке зависит от ее омического сопротивления и индуктивности, негативное влияние которых в современных динамических головках сведено к минимуму.

↑ Дальнейший план действий

Призвав читателя окунуться в серию интереснейших экспериментов с усилителями тока и с комбинированной обратной связью (по току и напряжению), хочу предложить две конструкции, в которых используется ИТУН, но в целом УМЗЧ обладает традиционными свойствами малого выходного сопротивления, то есть, предназначен для работы с серийно выпускаемыми акустическими системами.

Первая из предложенных схем описана в части 5-4 и содержит преобразователь напряжения в ток в выходном каскаде, а в целом УМЗЧ охвачен глубокой ООС по напряжению.

Во втором УМЗЧ ИТУН расположен на входе выходного каскада, охваченного параллельной ООС, что позволило обеспечить ее максимальную глубину. Эта схема описана в заключительной части 5-5.

На картинке в аннотации статьи показан пример грамотного управления громкоговорителем. Сцена из первой части научно-фантастической трилогии «Назад в будущее», в которой Марти Макфлай пытается поиграть на своей гитаре, подключив ее к громадному динамику в лаборатории Дока Брауна.

↑ Упомянутые источники

1. Страница Николая Лишманова (Lincor)
2. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? (О снижении интермодуляционных искажений и призвуков в громкоговорителях) // Радио, 1997, №4, с. 14 – 16.
3. Алейнов А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ – громкоговоритель // Радио, 2000, №7, с. 16 – 18.
4. УМЗЧ с токовым выходом. Принцип действия и практические схемы
5. Аудио усилитель MF-1 на TDA7294/93 с гибридной ООС
6. Сапожников М. Нестандартные включения микросхем в УМЗЧ // Радио, 1998, №2 с. 23.
7. Рогов И. Регулировка выходного сопротивления УМЗЧ посредством комбинированной ООС // Радио, 2007, №10, с. 19 – 22.
8. Программа расчета комбинированной ООС
9. Рогов И. УМЗЧ с регулируемым выходным сопротивлением // Радио, 2008, №4, с. 14 – 17; 2008, №5, с. 14, 15.