Преобразователь напряжения в ток

 

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано в приборостроении для формирования токового сигнала в нагрузке с произвольным сопротивлением, в схемах генераторов пилообразного напряжения. Предложен преобразователь напряжения в ток, обеспечивающий расширение диапазона регулирования токов в сторону малых значений, что является техническим результатом. В преобразователе напряжения в ток, содержащем усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к выводу для подключения нагрузки, и два последовательно включенных резистора, один из которых соединен с выходом усилителя, а другой - с входом управления, дополнительно введен третий резистор, включенный между точкой соединения первых двух резисторов и неинвертирующим входом усилителя. 2 ил.

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано в приборостроении для формирования токового сигнала в нагрузке с произвольным сопротивлением, в схемах генераторов пилообразного напряжения.

Известен преобразователь напряжения в ток (см., например, кн. Кустов О. В., Лундин В.З. Операционные усилители в линейных цепях. М.: Связь, 1978, с. 45-46, рис. 3-12,в), содержащий усилитель с входным резистором и транзистор в цепи отрицательной обратной связи. Благодаря включению нагрузки в цепь стока транзистора и глубокой обратной связи по току обеспечивается линейность передаточной функции (зависимости тока от входного напряжения) и очень малая зависимость тока от напряжения на нагрузке. Однако при построении слаботочных преобразователей (нано- и микроамперного диапазонов) из-за большого влияния неуправляемых токов транзистора точность преобразователя значительно снижается. Кроме этого, преобразователь формирует ток только одного направления.

Известен также преобразователь напряжения в ток для заземленной нагрузки (см. там же, стр. 170-171, рис. 4-15,г), содержащий усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи, выполненной на трех резисторах. Нагрузка подключается к средней точке двух резисторов этой цепи, включенных между выходом усилителя и его неинвертирущим входом. Выходной ток регулируется входным напряжением и может изменять свое направление. К недостаткам схемы относятся сложность обеспечения требуемого соотношения сопротивлений в цепи положительной обратной связи при плавной регулировке коэффициента передачи преобразователя или при его настройке. При использовании вместо двух резисторов, включенных между выходом усилителя и его неинвертирущим входом, одного переменного резистора облегчается регулирование тока этим резистором, но из-за больших погрешностей сопротивлений переменных резисторов и их низкой температурной стабильности невозможно обеспечить малую зависимость тока от напряжения на нагрузке в широком диапазоне температур и в течение длительного времени. При построении слаботочных преобразователей из-за возрастания погрешностей по мере увеличения сопротивления резисторов более существенно проявляется зависимость выходного тока от напряжения на нагрузке.

Наиболее близким к заявляемому является преобразователь напряжения в ток (см., например, кн. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов. радио, 1979, с. 169-170, рис. 4-14,6), содержащий усилитель, охваченный положительной обратной связью, которая образована двумя резисторами, с подключением нагрузки к неинвертирующему входу усилителя. Коэффициент передачи преобразователя определяется сопротивлениями обоих резисторов цепи обратной связи и коэффициентом усиления усилителя. При изменении коэффициента передачи (для регулируемых преобразователей или при настройке) необходимо одновременно изменять сопротивления обоих резисторов с учетом их пропорциональности (или сопротивление одного резистора цепи положительной обратной связи и коэффициента усиления усилителя), что является недостатком этой схемы. При построении слаботочных преобразователей из-за погрешностей высокоомных резисторов также существенно проявляется зависимость выходного тока от напряжения на нагрузке.

Задачей изобретения является расширение диапазона выходных токов в сторону малых значений и упрощение процесса их регулирования.

Решение задачи достигается тем, что в преобразователе напряжения в ток, содержащем усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к выводу для подключения нагрузки, и два последовательно включенных резистора, один из которых соединен с выходом усилителя, а другой - с входом управления, дополнительно введен третий резистор, включенный между точкой соединения первых двух резисторов и неинвертирующим входом усилителя.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено третьим резистором, включенным между точкой соединения двух резисторов цепи обратной связи и неинвертирующим входом усилителя.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения в ток. Предложенное устройство содержит усилитель 1 (А1), вход которого соединен с выходом 2 преобразователя, последовательно соединенные резисторы 3 (R1) и 4 (R2), образующие цепь положительной обратной связи и включенные между выходом усилителя 1 и управляющим входом 5 преобразователя, а также резистор 6 (R3), включенный между точкой соединения резисторов 3 и 4 и входом усилителя 1. Нагрузка 7 (R_н) подключается через выходной зажим 2. Выход усилителя 1 может быть подключен к дополнительному выходу 8 преобразователя.

На фиг. 2 приведен пример схемы преобразователя напряжения в ток, выполненный на операционном усилителе. Эта схема содержит операционный усилитель 9 (A1), охваченный отрицательной обратной связью на резисторах 10 (R4) и 11 (R5), цепь положительной обратной связи на резисторах 12 (R1) и 13 (R 2), а также дополнительный резистор 14 (R3). Нагрузка 15 (Р_н) подключена через выходной зажим 16, соединенный с инвертирующим входом усилителя 9. Выход усилителя 9 может быть подключен к дополнительному выходу 17.

Преобразователь работает следующим образом. Полагая входное сопротивление усилителя 1 бесконечно большим по сравнению с сопротивлением нагрузки 7, выражение для выходного тока можно представить в виде I_вых=(U_дел-U_н)/(R_дел+R3), где U_дел и R_дел - эквивалентная ЭДС и эквивалентное сопротивление делителя напряжения обратной связи, образованного резисторами 3 и 4; _н - напряжение на нагрузке 7.

Учитывая, что U_вых=КU_н; U_дел=U_вхR2/(R1+R2)+U_выхR1/(R1+R2); R_дел=R1R2/(R1+R2), где К - коэффициент усиления усилителя 1, после подстановки получаем Для нахождения условия независимости I_вых от U_н приравниваем выражение в квадратных скобках к нулю: (K-1)R1-R2=0.

Из этого уравнения получаем
R2/R1=K-1 (1)
При точном выполнении такого соотношения выходной ток равен
I_выx=U_вx/(R1+K R3) (2)
и не зависит от сопротивления R_н нагрузки 7. Значение этого тока можно регулировать изменением сопротивления резистора 6 без нарушения условия (1) в очень широких пределах. Причем, как это следует из (2), в схеме проявляется эффект увеличения сопротивления резистора R3 в К раз.

При реализации предложенного преобразователя на операционном усилителе (фиг. 2) необходимое значение коэффициента усиления обеспечивается выбором сопротивлений резисторов 10 и 11 цепи отрицательной обратной связи из условия получения необходимого значения коэффициента усиления K:
R4/R1=K-1.

В соответствии с этим целесообразно выбирать R2=R1 и R4=R5, что облегчает выполнение условия (1). Управление выходным током I_вых, как и в схеме устройства-прототипа, можно осуществлять обоими входными напряжениями U1 и U2.

Так как U_вых=K U_н, дополнительный выход 8 в схеме фиг.1 или 17 в схеме фиг. 2 позволяет получить напряжение U_вых, пропорциональное падению напряжения на нагрузке 15, что может быть использовано, например, при построении генераторов линейно изменяющегося напряжения. Благодаря малому выходному сопротивлению усилителя 9, охваченного отрицательной обратной связью, потребление тока с этого выхода может быть на несколько порядков больше выходного тока I_вых.

Минимальное значение тока I_вых определяется допустимым влиянием входного тока усилителя 9. Например, при использовании операционного усилителя типа 140УД24 с входным током менее 0,01 нА (Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. С. В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др. /Под ред. С.В. Якубовского. М.: Радио и связь, 1990, с, 345, табл. 5-3), предложенная схема преобразователя позволяет формировать токи, начиная от 10 нА с погрешностью менее 0,1%.

Эффект увеличения сопротивления резистора 6 (или 14) в К раз позволяет использовать относительно низкоомные сопротивления с меньшими погрешностями, что обеспечивает более точное выполнение условия (1) и меньшую зависимость выходного тока от напряжения на нагрузке.

Таким образом, предложенный преобразователь напряжения в ток позволяет использовать в схеме относительно низкоомные резисторы с минимальными погрешностями, обеспечивающими независимость выходного тока от напряжения на нагрузке, регулировать этот ток в очень широких пределах изменением сопротивления только одного резистора и формировать токи, начиная от десятков наноампер.

Формула изобретения

Преобразователь напряжения в ток, содержащий усилитель с входным сопротивлением, бесконечно большим по сравнению с сопротивлением нагрузки, причем неинвертирующий вход усилителя соединен с выводом для подключения нагрузки, и два последовательно включенных резистора, первый из которых соединен с входом управления, а второй - с выходом усилителя, причем коэффициент усиления усилителя равен К = R2/R1+1, где R1 и R2 - сопротивления первого и второго резисторов соответственно, отличающийся тем, что снабжен третьим резистором, включенным между точкой соединения первых двух резисторов и неинвертирующим входом усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2