Точный преобразователь «напряжение-ток» на двух инструментальных усилителях

27 сентября 2016
Множество разработок требуют прецизионного преобразования «напряжение-ток» (ИТУН источник тока, управляемый напряжением), особенно при наличии переменной нагрузки.

Стандартный подход использовать несколько ОУ и множество пассивных компонентов наследует погрешности, связанные с неидеальностью характеристик элементов, такие как конечный коэффициент усиления без обратной связи, коэффициент подавления синфазной составляющей, токи и напряжения смещения. В схемах с ОУ могут потребоваться прецизионные резисторы для  задания коэффициента усиления и дополнительные конденсаторы для обеспечения устойчивости. Кроме того, некоторые схемотехнические решения выдают токи, которые не прямо пропорциональны входному напряжению. ИТУН изображенный на Рис. 1, например, основан на том, что ток коллектора приблизительно равен току эмиттера и обеспечивает только одно направление протекания тока.
Рис. 1. Простой источник тока
 
Рис. 2ю Источник тока с погрешностью 0,01%
При помощи двух инструментальных усилителей и пары транзисторов можно создать ИТУН с погрешностью 0,01% (Рис. 2). Этот ИТУН имеет диапазон входного напряжения ±10В, которое прямо пропорционально выходному току. И сохраняет высокую точность, даже при токе нагрузки в 90мА. Маломощный инструментальный усилитель AD620 с низким дрейфом от фирмы Analog Devices обеспечивает управление источником и компенсацию погрешностей, но не является частью выходного каскада. Поэтому, замените транзисторы Q1 и Q2 на более мощные, чтобы добиться увеличения выходных токов. Инструментальные усилители могут иметь любой коэффициент усиления в диапазоне от 1 до 10000, для работы с входными напряжениями менее 1мВ просто подсоедините резистор к соответствующим входам U1 и U2 для достижения желаемого коэффициента усиления.
Первый инструментальный усилитель U1 управляет напряжением базы двухтактного выходного каскада. Резисторы и диоды задают напряжение смещения на базах транзисторов Q1 и Q2 для устранения перекрестных искажений. Усилитель U2 осуществляет компенсацию погрешностей с учетом разностей напряжений база-эмиттер. Напряжение, соответствующее погрешности, которое дифференциально замеряется на переходах D1/D2 относительно выходного напряжения, подается на вход опорного напряжения U1, что приводит к суммированию его с входным напряжением. В результате выходной ток прямо пропорционален входному напряжению. Такая схема позволяет достичь погрешности 0,01% по постоянному току с входной амплитудой до ±10В и погрешности в 1,5% на переменном токе с частотой 1кГц при амплитуде выходного сигнала до ±5В.
Выражения для расчета выходного тока имеют следующий вид:
VoutU1 = [(V+U1 – V-U1)AU1 + VrefU1.
VrefU1 = VoutU2 = (V+U2 – V-U2)AU2 + VrefU2.
Vout = VoutU1 = (V+U1 – V-U1)AU1 + (V+U2 – V-U2)AU2 + VrefU2,
где
V+U1 = Vin, V-U1 = 0; AU1 = AU2 = 1; VrefU2 = 0.
Таким образом,
Vout = V+U1 + (V+U2 – V-U2),
или
Iout = Vin / Rl.
Данная схема обеспечивает как широкий выходной диапазон, так и прямую пропорциональность выходного тока входному напряжению с хорошей линейностью и точностью Рис. 3.
 
Рис. 3 Зависимость ошибки от нагрузки
 
Фрэнк Кэрлоне, Analog Devices

 

Оставить комментарий