Двуполярные измерительные усилители тока

• ¹    Ульяновский государственный технический университет

• ²    Ульяновское отделение института радиотехники и электроники РАН

В статье рассматривается схемотехника с анализом достижимых параметров усилителей токовых сигналов, что в ряде случаев позволяет повысить точность, помехоустойчивость и расширить частотный диапазон радиоэлектронной аппаратуры в интегральном исполнении. Проведен обзор схемотехники повторителей тока на операционных усилителях, однополярных повторителей тока, УТ типа "токовых зеркал", выполненных на операционных усилителях. Рассмотрены схемотехнические решения усилителей тока со стабилизацией заданного тока на входе выходного каскада повторителя тока и усилители тока произвольной полярности построенных на основе двух "токовых зеркал" обеспечивающих усиление двуполярных токов без плавающих источников питания.

Усилители напряжения находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, информационно-измерительной технике и подробно рассмотрены в литературе [1,2].

В настоящей статье рассматриваются усилители токовых сигналов (УТ), что в ряде случаев позволяет повысить точность, помехоустойчивость, расширить частотный диапазон и повысить быстродействие радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в интеграль ном исполнении.

Основными характеристиками УТ явля ются: входной 2вх и выходной 2вых импедан-сы (полные сопротивления); коэффициент усиления УТ, коэффициент передачи УТ S=SI; стабильность коэффициента усиления (передачи) S , которая характеризуется относительным отклонением y=(S/S0)-1 текущего значения S от номинального (нормированного) значения S0; динамический диапазон входных (выходных) сигналов, в пределах которого функция преобразования является линейной;

частотный диапазон, в пределах которого частотная характеристика S(f) не превышает заданной частотной погрешности. Для иде альных усилителей и повторителей тока 2Вх

= ⁰, ² Вых

— ОО .

Совершенствование УТ идет в направлении уменьшения его входного 2Вх, увеличения выходного 2Вых сопротивлений и уменьшения погрешности у = S/Sо — 1, обусловленной отличием его коэффициента усиления от требуемого значения в заданном диапазоне частот. Здесь рассматриваются УТ с нормированным коэффициентом усиления. По характеру амплитудной характеристики УТ подразделяются на двуполярные УТ и однополярные УТ. В свою очередь однополярные УТ (ОУТ) и однополярные повторители тока (ОПТ) подразделяются на УТ (ПТ) входного тока положительной полярности и УТ (ПТ) тока отрицательной полярности [3].

Необходимо отметить, что усилители тока отечественной промышленностью не выпускаются в качестве микросхем общего применения.

Одним из путей построения усилителей тока является использование УТ, построенных на операционных усилителях (ОУ).

Для дальнейшего рассмотрения проведем обзор элементной базы, используемой для построения УТ. Рассмотрим методы построения повторителей тока на ОУ Включение ОУ, работающего в качестве повторителя тока, приведено на рис.1. Здесь и далее по тексту i-вход, а . - вход цепи обратной связи ПТ, о-выход, m-общая точка ПТ.

При указанном на рис.1а включении коэффициент передачи по току, входное и выходное сопротивление ПТ определяется соответственно выражениями:

S =

r + Zh ⁺ (1 + K ) R

8 =

r + Z_H

(1 + K)R

а)                       б)

Рис. 1. Включение ОУ, работающего в качестве повторителя тока

Z

вх

Г + ZH r + Z .

1 + К +---- - ’

R

r

Z . = (Z i ||R)(1 + K + —) .

^Z i ll^R

Здесь К - коэффициент усиления ОУ, R и r - его входное и выходное сопротивления, Z _h - сопротивление нагрузки, а Z i - внутреннее сопротивление источника входного сигнала, символом конкатенации " || " обозначено параллельное соединение сопротивлений. При К ^^ параметры 8 ^ 1, 5^ 0, Z_вх ^ 0, Z_вых ^^ . Практически предельное значение коэффициента усиления К < К_мах ограничено условием устойчивости замкнутой системы. Поэтому всегда 8 < 1, т.е. рассмотренные схемы относятся к классу ПТ асимптотического типа.

Схема ПТ рис.1б получена путем комплементарного [4] топологического преобразования ПТ схемы по рис.1а.

Недостатком данных ПТ является наличие " плавающего " источника питания не соединенного с общей точкой. В настоящее время данная проблема существенно упростилась в связи с серийно выпускаемыми источниками питания с гальванической развязкой между входом и их выходом.

Рассмотрим схемотехнику однополярных ПТ [5, 6]. Они не требуют наличия гальванически изолированного от общей точки источника питания, но работоспособны только с током одной полярности (втекающим на вход ПТ или вытекающим из входа). Простейшими однополярными ПТ являются биполярные и полевые транзисторы, включенные по схеме с общей базой.

Более сложными являются ОПТ [5,7] по рис.2 с применением ОУ Данные ОПТ имеют более высокие параметры по сравнению с ОПТ на транзисторах:

• -    существенно меньшее входное сопротивление, что связано с наличием петли ООС через ОУ;

• -    меньшее напряжение смещения;

• -    меньший входной ток общей точки, определяемый входным током операционного усилителя. Однако данные ОПТ являются менее широкополосными.

Другим элементом, исполь-зуемом в схемотехнике УТ являются усилители тока типа "токовое зеркало".

На рис.3а [8,9] приведен вариант УТ предназначенного для использования в интегральных схемах. В связи с тем, что напряжение между базам и эмиттерами практически одинаково, то коэффициент усиления по току определяется отношением площадей их эмиттерных переходов I 2 /I 1 = S 2 /S 1 . Приведенное выражение справедливо при диапазоне изменения тока на шесть порядков и в широком диапазоне температур (обычно от 60 до 130С) [8].

На рис.Зб приведен вариант УТ с заданием коэффи-циента усиления по току с помощью вклю-чения резисторов в эмиттерные цепи. Если падение напряжения на резисторе R1 больше напряжения между базой и эмиттером транзистора V1, то коэффициент усиления данного УТ по выходу 0 1 определяется отношением сопротивлений резисторов S = R 2 /R 1 с ошибкой меньшей 10% в диапазоне изменения тока составляющего два порядка [8]. При этом возможно обеспечить уси-

Рис. 3. Вариант УТ предназначенного для использования в интегральных схемах

i

тз

ление токов по нескольким выходам (рис.36).

Падение напряжения от входного тока i на сопротивлении резистора R1 (рис.Зв.) преобразуется в ток с помощью ПТ (ОПТ) и второго прецизионного резистора R2. Для дальнейшего изложения будем использовать обозначение токового зеркала приведенное на рис.Зг.

Дальнейшим развитием схемотехники усилителей тока типа токовых зеркал являются усилители тока с стабилизацией заданного тока на входе выходного каскада повторителя тока.

На рис.4а приведен инвертирующий УТ. Падение напряжения от входного тока i на сопротивлении резистора R1 преобразуется в ток с помощью ПТ (ОПТ) и второго прецизионного резистора R2. Коэффициент передачи УТ при достаточно большом усилении ОУ S = - (1 + R 1/ R 2 ) . Выходное сопротивление УТ определяется выходным сопротивлением ПТ (ОПТ). К недостаткам следует отнести наличие " плавающего " источника питания (при использовании ПТ или усиление тока одной полярности при применении ОПТ).

При использовании на выходе УТ рис.4а ПТ [10] приходим к схеме УТ рис.4б.

Реализовать УТ с коэффициентом усиления S = - R1/R2 возможно в схеме рис.4в. при использовании ПТ (ОПТ) с малым напряжением смещения. В данном случае резистор R1 подключен к выходу ОУ, напряже ние на выходе которого с точностью до напряжения смещения определяет напряжение на резисторе R2. При необходимости высокого коэффициента усиления УТ и при использовании ПТ (ОПТ) с большим напряжением смещения рекомендуется использовать УТ рис.4г. Здесь роль сопротивления в цепи ООС между выходом повторителя напряжения (ПН) и инвертирующим входом ОУ выполняет эквивалентное сопротивление (резисторы R1,R3,R4), на которое через ПН подается напряжение с резистора R2.

Эквивалентное сопротивление цепи обратной связи определяется выражением: Rэ = R 1 R 3 /R 4 [7]. При этом коэффициент усиления УТ определяется выражением: S = - R 1 • R 3/ R 2 • R 4 . Достоинством использования эквивалентного сопротивления в цепи ООС ОУ является существенно меньшее влияние паразитной емкости резистора R1, что обусловлено существенно меньшим его номинальным значением по сравнению с эквивалентным сопротивлением.

Реализовать двуполярные УТ без " плавающих" источников питания возможно при использовании усилителей тока произвольной полярности построенных на основе двух "токовых зеркал" с различной полярностью входного тока.

УТ данного класса основаны на том, что при подаче равных разнополярных входных токов на входы двух ОТЗ с различной полярностью входных токов и соединении их выходов получаем на выходе ОТЗ равные токи. При этом суммарный ток нагрузки, подключенной к выходам ОТЗ, равен нулю. При из-

Рис. 4. Инвертирующие УТ менении одного из входных токов ОТЗ, изменяется его выходной ток и на выходе появится разностный ток равный току нагрузки. Использование входного ОУ позволяет обеспечить низкое входное сопротивление.

Существует два варианта построения данных устройств. В первом варианте (рис.5, 6) независимо от наличия входного тока УТ имеется входной ток ОТЗ, в ряде случаев нерегулируемый, который и определяет ток покоя его выходных каскадов. Во втором варианте (рис.7, 8) возможна раздельная регулировка тока покоя и тока сигнала, но в данных вариантах погрешность коэффициента усиления определяется, в основном, погрешностью коэффициентов усиления соответствующих токовых зеркал применных в УТ.

В УТ рис.5а, при отсутствии входного тока УТ, входной ток ОТЗ определяется цепочкой резисторов NR1,NR2. При этом напряжение на делителе R1,R2 определяет входной потенциал УТ, а напряжение в точке с равно выходному напряжению в точке b, так как R1/R2=NR1/NR2.

Считаем входные сопротивления ОТЗ близкими к нулю. При подаче входного тока изменяется напряжение на выходе ОУ, а следовательно и входные токи ОТЗ определяемые резисторами NR1 и NR2, а на выходе УТ появляется разностный выходной ток. Частично данное решение приведено в [11], в котором рассмотрены управляемые источники тока.

Более совершенным решением является

Рис. 5. Варианты устройств, использующие входное ОУ для обеспечения низкого входного сопротивления

Рис. 6. Двуполярный УТ с ОТЗ на выходе, охваченный общей петлей отрицательной обратной связи управление током потребляемым ОУ (рис.5б) [12-15]. При этом возможен выбор произвольного напряжения на средней точке M УТ. Здесь при отсутствии входного тока через входы ТЗ протекает ток питания ОУ. Через выходы ТЗ будет протекать ток пропорциональный данному току питания ОУ Выходной ток УТ будет равен нулю, так как входные токи ТЗ равны (аддитивная составляющая тока УТ определяется погрешностью коэффициентов передачи ОТЗ). При наличии входного тока на выходе УТ появляется напряжение пропорциональное входному току. Ток, обусловленный выходным напряжением ОУ, протекает через резистор R2, суммируется с одним из токов по цепи питания ОУ и является разностным током по входам ТЗ.

Недостатком такого УТ является неконтролируемый ток покоя через транзисторы ТЗ и определяемый параметрами ОУ При этом выходные транзисторы ТЗ работают в режиме A или AB в зависимости от значения входного тока.

В данных усилителях тока ОТЗ не охвачены петлей ООС, что увеличивает погрешность коэффициента усиления УТ. На рис.6 приведен двуполярный УТ с ОТЗ на выходе, охваченный общей петлей отрицательной обратной связи (ООС). ООС осуществляется за счет наличия дополнительных выходов в ОТЗ, подключенных ко входу УТ. Эти выходы ОТЗ полностью аналогичны выходным и могут отличаться только коэффициентом усиления по отношению к входным токам. При

Рис.7. Два ОПТ с различной полярностью входного тока (а), УТ, обеспечивающий работу ТЗ в режиме B (б)

подаче входного тока разностный ток ОТЗ подается на вход ОУ и сравнивается с входным током. ОУ при этом поддерживает разностный выходной ток ОТЗ равный входному.

На входе УТ (рис.7а) включены два ОПТ с различной полярностью входного тока. Резисторы R1 и R2 ограничивают входной ток в режиме покоя. Ток покоя выходных транзисторов ОТЗ возможно регулировать с помощью изменения сопротивления резистора R. При подаче входного тока УТ на выходе соответствующего ОПТ появляется выходной ток, являющийся входным током соответствующего ОТЗ, что приводит к появлению на выходе УТ выходного тока.

УТ по рис. 76 [16] обеспечивает работу ТЗ в режиме B. При подаче входного тока в зависимости от его полярности ток протекает либо через транзистор V1, либо через тран-

а)                                               б)

Рис. 8. УТ с различным включением преобразователей выходного напряжения ОУ в ток зистор V2, выходной ток которых является входным током ОТЗ. При протекании тока через один ОПТ на другой подается запирающее напряжение с резистора R1 или R2, через который протекает выходной ток.

На рис.8а и рис.8б приведены УТ с различным включением преобразователей выходного напряжения ОУ в ток. УТ по рис.8а обеспечивает больший запас устойчивости в связи с отсутствием инвертирования напряжения в преобразователе выходного напряжения ОУ в ток.

При необходимости УТ по рис.5-8 могут иметь несколько выходов с различными коэффициентами усиления. Пример данного схемного решения приведен на рис.8а.

Варианты выполнения широкополосных УТ данного класса приведен также в [16,17].

Проведенный анализ и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы.

Наибольшую стабильность коэффициента передачи имеют УТ с цепью ООС по току приведенные на рис.6, рис.8. При необходимости реализации широкополосного УТ целесообразно использовать УТ на транзисторах [18]. Данные УТ имеют фиксированное напряжение холостого хода, определяемое напряжениями источников питания. При требовании стабильности токов покоя выходного каскада желательно использовать УТ рис.8. Погрешности коэффициентов усиления УТ в основном определяются погрешностями коэффициентов передачи токовых зеркал.