Линейный преобразователь тока в напряжение

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано при преобразовании сигнала входного электрического тока в выходной сигнал напряжения. Изобретение предполагается к использованию в составе схем радиоэлектронных устройств различного назначения, а также в составе функционального узла микросхем. Техническим результатом предлагаемого изобретения является достижение более низкого входного сопротивления по сравнению со схемой-прототипом и, как следствие, уменьшение ошибок преобразования и повышение линейности преобразования. Предложен линейный преобразователь тока в напряжение, включающий элементы электрической цепи, источник напряжения, операционный усилитель, неинвертирующий усилитель, соединенные между собой. Отличительными особенностями является то, что неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов, вход которого подключен на выход операционного усилителя, а выход соединен с резистором и инвертирующим входом операционного усилителя, и образует петлю отрицательной обратной связи по напряжению, ток для преобразования подается на выход неинвертирующего усилителя, а преобразованный сигнал напряжения снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя. 3 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано при преобразовании сигнала входного электрического тока в выходной сигнал напряжения. Изобретение предполагается к использованию в составе схем радиоэлектронных устройств различного назначения, а также в составе функционального узла микросхем.

В современных электронных приборах все чаще для работы с аналоговыми сигналами активно применяется ЦОС (цифровая обработка сигналов). В свою очередь, применение ЦОС накладывает высокие требования к линейности на преобразователи АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).

Современные микросхемы ЦАП, в основной своей массе, строятся по схеме коммутации источников тока (стр. 388-392 рис. 8.5 Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е издание. «Додэка» Москва 2007 г. Г.И. Волович), а результатом преобразования код-сигнала является выходной ток. Так как возникает необходимость иметь преобразованный сигнал в виде напряжения, то применяется электронная схема - узел ПТН (преобразователь ток в напряжение) как в составе микросхемы ЦАП, так и как внешняя схема для микросхемы ЦАП с токовым выходом. На узел ПТН накладываются очень жесткие требования по минимизации ошибок преобразования, поэтому вопрос совершенствования управляемых схем преобразователей электрического тока актуален.

Из известного уровня техники, управляемые источники и схемы преобразования полного сопротивления описаны в литературе достаточно подробно. В качестве преобразователя ток-напряжение широко применяется известная схема: источник напряжения, управляемый током (ИНУТ) описанная в различной литературе, к примеру, в опубликованном ранее источнике «Полупроводниковая схемотехника» (том 2, издание 12, изд. ДМК Москва, 2007, У. Титце, К. Шенк) Глава 12.2 стр. 72. Данная схема является наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбрана за прототип.

Схема ПТН или ИНУТ (источника напряжения, управляемого током) показана на фиг. 1. Для схемы справедливы уравнения на низких частотах:

- - входное сопротивление схемы ПТН или ИНУТ (источника напряжения, управляемого током.

- - дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя А1.

- - выходное сопротивление операционного усилителя А1 (без ос).

- - входное сопротивление операционного усилителя А1.

- идеальная передаточная функция:

- входное сопротивление схемы при условии для оу А1 фиг. 1,

Данное техническое решение имеет ряд недостатков, которые не позволяют получить максимально возможную точность преобразования. Из уравнений для полного входного сопротивления очевидно, что при конечном A_D операционного усилителя А1 фиг. 1, невозможно достичь предельно минимального значения входного сопротивления т.к. в числителе уравнения присутствует сопротивление R фиг. 1, которое входит в цепь отрицательной обратной связи усилителя А1 фиг. 1, следовательно входное напряжение U1 не будет равно 0, а его значение будет складываться с полезным сигналом внося ошибку в результат преобразования. Для случая преобразования переменного тока ситуация усугубляется, т.к. входной импеданс схемы имеет комплексный характер, соответственно напряжение ошибки тоже будет иметь комплексный характер, что приведет к появлению целого спектра нелинейности в выходном сигнале.

Стоит отметить, что в случае ненулевого (недостаточно низкого) входного сопротивления схемы, появляются дополнительные ошибки, связанные с выходным сопротивлением источника тока, который подается на вход схемы ПТН, более подробно данная проблематика освещена в литературе, к примеру, в опубликованном ранее источнике Глава 12.2 стр. 72-73 «Полупроводниковая схемотехника» (том 2, издание 12, изд. ДМК Москва, 2007, У. Титце, К. Шенк).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является достижение более низкого входного сопротивления по сравнению со схемой прототипом и, как следствие, уменьшение ошибок преобразования и повышение линейности преобразования.

Указанный технический результат достигается за счет примененной схемотехники, по которой построен линейный преобразователь тока, включающий элементы электрической цепи источник напряжения, операционный усилитель, неинвертирующий усилитель, соединенные между собой, отличающийся тем, что неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов, вход которого подключен на выход операционного усилителя, а выход - с резистором и с инвертирующим входом операционного усилителя, и образует петлю отрицательной обратной связи по напряжению, ток для преобразования подается на выход н инвертирующего усилителя, а преобразованный сигнал напряжения снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя.

Термин «каскад» означает схему взаимного расположения (варианты) полевых и биполярных транзисторов и резисторов.

Резистор - компонент электронной аппаратуры, с помощью которого осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схемы.

Транзисторы - радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, позволяющий выходным сигналом управлять электрическим током в цепи.

Операционный усилитель - усилитель постоянного и переменного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющим высокий дифференциальный коэффициент усиления.

Неинвертирующий усилитель - вход «плюс».

ПТН - преобразователь тока в напряжение.

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.

Сущность предлагаемого изобретения пояснена на фиг. 2 и фиг. 3, где на фиг. 2 показана принципиальная схема линейного преобразователя тока в напряжение, на фиг. 3 показана схема линейного преобразователя тока в напряжение с вариантом исполнения неинвертирующего усилителя. На фиг. 1 показана схема-аналог, принятая за прототип.

На фиг. 2 показана принципиальная схема предлагаемого изобретения. Основой схемы является операционный усилитель 1, выход которого подключен на вход неинвертирующего усилителя 2 (выполненного в виде каскада), при этом образуется петля отрицательной обратной связи по напряжению. Выход неинвертирующего усилителя 2 соединен с резистором 3 и со входом преобразователя 5 входного тока I₁. Резистор 3 и напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход 4 операционного усилителя 1, задают режим работы по току всего усилительного каскада 2. Источник напряжения на фиг. 2 показан 6, ток питания, протекающий через резистор 7 включает в себя ток, поступающий на вход преобразователя и преобразуется в напряжение, которое подается на выход 8.

Обратная связь это процесс передачи некоторой части усиленного сигнала с выхода каскада обратно на вход. Этот процесс, как правило, осуществляется при помощи цепей обратной связи. Согласно формуле изобретения образуется петля отрицательной обратной связи. Напряжение, снимаемое с выхода усилительного каскада, подается на его вход противофазно его входному напряжению.

Фактически схему ПТН фиг. 2 можно рассматривать как обычный усилитель по напряжению охваченный общей отрицательной обратной связью, с некоторым коэффициентом передачи Кп, в данном случае, равным 1. А неинвертирующий усилитель (2), можно рассматривать как выходной каскад получившегося усилителя, с той разницей, что вход ПТН является выходом усилителя, а выходной сигнал снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя (выходного каскада).

Режим работы неинвертирующего усилителя 2 на фиг. 2 и фиг. 3 (выполненного в виде каскада) задается сопротивлением R_1, формируемым резистором 3, и напряжением стабилизации U₃, которое подается на неинвертирующий вход 4 операционного усилителя 1. На входе преобразователем входного тока 5 поддерживается постоянное напряжение, численно равное значению U₃. и при этом обеспечивается низкое входное сопротивление за счет действия отрицательной обратной связи вне зависимости от входного тока, пока не исчерпаются возможности усиления по петле обратной связи.

Формулой изобретения предусмотрен признак «неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов». В данном случае предполагается использование разных вариантов соединений транзисторов (полевых, биполярных) и резисторов.

На фиг. 3 показана схема линейного преобразователя тока с вариантом исполнения неинвертирующего усилителя на транзисторах VT1 и VT2, где VT2 обозначен биполярный транзистор, VT1 - полевой транзистор, Rсм - резистор, использование Rсм необходимо для установки рабочей точки транзистора VT1. Применение полевого транзистора VT1 на входе каскада усиления позволяет получить очень высокое входное сопротивление неинвертирующего усилителя 2 на фиг. 2 и на фиг. 3. Такое включение полевого транзистора VT1 с биполярным транзистором VT2 позволяет получить каскад с высоким входным сопротивлением и высокой крутизной преобразования. Ничтожно малый ток затвора полевого транзистора позволяет минимизировать (исключить) влияние тока I₅ фиг. 2 фиг. 3 на результат преобразования

Для анализа предположим, что в неинвертирующем усилительном каскаде 2 фиг. 2 и фиг. 3 применяются полевые транзисторы на входе, при этом ток затвора полевого транзистора пренебрежительно мал, тогда ток питания неинвертирующего усилительного каскада I₄ равен выходному току I₃ неинвертирующего усилительного каскада 2 фиг. 2 фиг. 3. Следовательно, идеальная передаточная функция линейного преобразователя тока в напряжение, будет описана уравнением:

U₂=R₂I₄,

где I₄=I₃=I₁+I_2,

U₂=R₂(I₁+I₂)

Коэффициент преобразования по напряжению линейного преобразователя тока в напряжение определяется по формуле:

Этот коэффициент линейно зависит от сопротивления резистора 7 (R₂) и тока на входе преобразователя ток-напряжение I_1.

При этом входное сопротивление схемы ПТН можно выразить следующим уравнением:

, где

- выходное сопротивление неинвертирующего усилителя 2 фиг. 2 при разомкнутой петле отрицательной обратной связи схемы ПТН.

A_D - дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя 1;

- коэффициент усиления неинвертирующего усилительного каскада;

- общий коэффициент усиления;

Таким образом, подставив значения в формулу для определения входного сопротивления всей схемы, получим выражение:

При использовании схемы «классического» преобразования, показанной на фиг. 1 (прототип), R_вх определяется по формуле:

, где

A_D - дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя;

- выходное сопротивление операционного усилителя при разомкнутой общей отрицательной обратной связи.

Сравнивания два полученных выражения можно сделать вывод о том, что при прочих равных, т.е. когда коэффициент усиления схем численно равны а также выходное сопротивление неинвертирующего усилителя схемы предлагаемого ПТН, и выходное сопротивление операционного усилителя в схеме ПТН прототипа, равны , очевидно, что входное сопротивление предлагаемой схемы будет ниже, чем прототипа, т.к. в числителе уравнения для входного сопротивления отсутствует из цепей обратной связи R как в схеме прототипа.

Также стоит отметить, что низкое выходное сопротивление неинвертирующего усилителя получить значительно проще по сравнению со схемой прототипа за счет применения дискретных компонентов, что и продемонстрировано в схеме ПТН, изображенной на фиг. 3. Неинвертируемый усилительный каскад 2, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, обладает высокой крутизной преобразования, что непосредственно влияет на уменьшение выходного сопротивления каскада.

Следовательно, подтверждается возможность достижения заявленного технического результата.

Как указано выше, возможны варианты схем неинвертирующего усилительного каскада с использованием полевых и/или биполярных транзисторов. Использование биполярных транзисторов в схеме позволяют получить аналогичный эффект.

Как показала практика, использование предложенного изобретения позволяет снизить уровень нелинейных искажений, улучшить коррекцию частотной и фазовой характеристик, уменьшить входное сопротивление.

Использование каскадных усилителей, формирование обратной связи (как положительной, так и отрицательной) в уровне техники известно. Изобретательский уровень предлагаемого изобретения состоит в том, что используется отличная от классической схемы ПТН схемотехника. Для получения выходного сигнала в виде напряжения используется ток питания неинвертирующего усилительного каскада, в котором содержится ток входного сигнала, который подается на выход неинвертирующего усилительного каскада (вход ПТН). Нелинейности, вносимые неинвертирующим усилительным каскадом и операционным усилителем, устраняются за счет применения петли отрицательной обратной связи по напряжению, также за счет отрицательной обратной связи обеспечивается низкое входное сопротивление.

Признаки формулы изобретения являются существенными и позволяют обеспечить заявленный технический результат: достижение более низкого входного сопротивления по сравнению со схемой-прототипом и, как следствие, уменьшение ошибок преобразования и повышение линейности преобразования

Линейный преобразователь тока в напряжение, включающий элементы электрической цепи, источник напряжения, операционный усилитель, неинвертирующий усилитель, соединенные между собой, отличающийся тем, что неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов, вход которого подключен на выход операционного усилителя, а выход соединен с резистором и инвертирующим входом операционного усилителя, и образует петлю отрицательной обратной связи по напряжению, ток для преобразования подается на выход неинвертирующего усилителя, а преобразованный сигнал напряжения снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя.