На что способен ОУ со сверхнизким энергпотреблением?

3 октября 2012
Усилитель TS1001 уникален: напряжение питания 0,8 В и ток потребления 0,6 мкА. Казалось бы, ничего из такого ОУ не выжмешь, однако и он способен на некоторые трюки.

Компаратор

В схеме на рисунке 1 TS1001 используется в качестве компаратора. Выходной сигнал может быть только высоким или низким. Для большинства ОУ когда выходное напряжение приближается к напряжению питания, ток питания резко увеличивается. Однако TS1001 устроен так, что ток питания остается очень низким даже при работе в качестве компаратора.


Рис. 1. Принципиальная схема, в которой TS1001 используется в качестве компаратора

При номиналах элементов, указанных на рисунке 1, схема представляет собой релаксационный генератор с частотой 1 Гц. Общее потребление составляет 800 нА.

Пиковый детектор

В схеме, изображенной на рисунке 2, TS1001 вместе с p-канальным МОП-транзистором BSH205 образуют «идеальный диод». Диод в схеме показан для наглядности, чтобы обозначить тело диода на транзисторе. Данная схема может применяться в системах сбора энергии или в качестве пикового детектора.


Рис. 2. Принципиальная схема пикового детектора

Если входное напряжение больше выходного, TS1001 работает в замкнутом цикле. Когда транзистор открывается, выходной сигнал начинает следить за входным. Когда входной сигнал падает ниже выходного, транзистор запирается и выходной сигнал остается на уровне последнего пика.

В процессе работы конденсатор разряжается, однако ввиду малого тока питания TS1001 (он меньше, чем типичный ток утечки диода Шоттки) воздействие на напряжение на конденсаторе незначительно.


Рис. 3. Сигналы, поясняющие принцип работы

На рисунке 3 приведен входной синусоидальный сигнал (голубая линия) 800 мВ, 30 Гц и выходной сигнал (фиолетовая линия), который следит за пиками входного.

Преобразователь напряжения в ток

Рассмотрим схему преобразователя напряжения в ток, изображенную на рисунке 4.


Рис. 4. Принципиальная схема преобразователя и выходная характеристика в области малых сигналов

Когда на входах ОУ одинаковое напряжение, он работает как обычный операционный усилитель. Когда это не выполняется, через резистор начинает протекать ток Vin/1k. Этот ток равен току на отрицательном входе напряжения питания ОУ. Если выход соединить накоротко с положительным выводом питания, ток Vin/1k потечет в эти два вывода из терминала, изображенного наверху.

В итоге получаем простой преобразователь напряжение-ток, который работает для токов от тока покоя ОУ до максимального тока нагрузки.

Внимательный читатель заметит, что в схеме нет отрицательной ОС. Вывод отрицательного напряжения питания выступает в роли второго, отрицательного «выхода». На нем возникает «выходной» ток. Полярность противоположна той, что на выходе ОУ. Соответственно, требуется ОС на неинвертирующий вход.

Если входной сигнал на неинвертирующем входе становится более положительным, реальный выходной сигнал стремится увеличиться, за счет чего уменьшается ток в выходном каскаде ОУ. Это в свою очередь вызывает уменьшение напряжения на резисторе. Таким образом, ОС работает как отрицательная.

При токах 1 мкА..1 мА схема имеет высокую линейность.

Преобразователь обобщенных импедансов

На рисунке 5 изображена схема преобразователя обобщенных импедансов. Эта схема преобразует импеданс в более удобный.

 
Рис. 5. Схема преобразователя обобщенных импедансов

Если ОУ охвачен отрицательной обратной связью, на входах напряжение одно и то же. В этом случае на обоих входах Vin, т.е. входное напряжение. Ток Vin/Z5 течет через нижний резистор Z5. Этот же ток течет через Z4, поэтому известно напряжение между Z3 и Z4.

Продолжая рассуждения, получаем выражение для импеданса, который виден со стороны входа при нагрузке Z1-Z5:

 

Ток через Z2 и Z3 направлен противоположно току через Z1, Z4 и Z5. Если ток через Z1, Z4 и Z5 течет сверху вниз, то ток через Z2 и Z3 направлен снизу вверх и наоборот. 

Например, если Z5 имеет нагрузку 100 Ом, Z2 и Z4 тоже резисторы 100 Ом, а Z1 и Z3 1 кОм, то вход видит нагрузку 10 кОм – в 100 раз больше, чем Z5, но пропорционально ему.

Оставить комментарий