Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 1 [Изд.4-е]

Рис. 4.9.

Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение U вх , под действием которого через нагрузку протекает ток I= U вхR. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей», а нагрузку заземлить (рис. 4.10). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания.

Рис. 4.10. Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.

Резисторы R 1 и R 2 образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы вид этой схемы не смущал вас, напомним, что «земля» — это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать «землей». Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку, но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим, это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного напряжения, отсчитываемого от потенциала земли. Методы устранения этого недостатка изложены в той части гл. 6 , где рассматриваются источники питания постоянного тока.

Источники тока для заземленных нагрузок.С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Источники тока с заземленными нагрузками, не требующие плавающего источника питания.

В первой схеме обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное U KK— U вх , которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно, и выходной ток), равный I Э= ( U KK— U вх)/ R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении U БЭ и его изменениях, связанных с изменениями температуры, I К, U КЭ и т. п. Несовершенство этого источника тока (не будем принимать во внимание ошибки ОУ: I см, U СДВ ) проявляется лишь в том, что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения U КЭ (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток — небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора T 1 использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.

В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания U KK ; иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания U KK , и все будет в порядке, если напряжение U вх является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности. Этого недостатка лишена вторая схема, в которой аналогичный первый источник тока с транзистором n-р-n -типа. служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно U KK , для оконечного источника тока. Операционные усилители и транзисторы недороги, поэтому запомните такой совет: не раздумывая, включайте в схему дополнительные компоненты, если они позволяют улучшить ее работу и упрощают разработку.

Одно существенное замечание, касающееся последней схемы: операционный усилитель должен работать при условии, что напряжение на его входах близко или равно положительному питающему напряжению. Подойдут интегральные операционные усилители типа 307, 355 или ОР-41. Альтернативный вариант — использование для питания ОУ отдельного источника напряжения U+, превышающего напряжение U KK .

Упражнение 4.1.Для последней схемы определите выходной ток для заданного входного напряжения U вх .

На рис. 4.12 представлен интересный вариант схемы источника тока на основе ОУ и транзисторов.

Рис. 4.12. Источник тока на полевых/биполярных транзисторах, предназначенный для больших токов.

Преимущество этой схемы состоит в том, что базовый ток, приводящий к ошибке в случае использования полевых транзисторов, здесь равен нулю, выходной ток не ограничивается значением I СИ (вкл.) . В этой схеме (фактически — это не источник, а потребитель тока) транзистор Т 2 начинает проводить, когда через транзистор Т 1 протекает ток стока величиной приблизительно 0,6 мА.

При минимальном значении I СИ для Т 1 , равном 4 мА, и подходящем значении β для Т 2 величина тока, протекающего через нагрузку, может достигать 100 мА и более (для получения бóльших токов транзистор Т 2 можно заменить транзистором Дарлингтона, при этом нужно соответственно уменьшить R 1 ). В данной схеме были использованы полевые транзисторы с p-n -переходом, но еще лучше было бы использовать полевые МОП-транзисторы, так как для ОУ на полевых транзисторах с p-n -переходом требуется расщепленный источник питания, обеспечивающий диапазон напряжения на затворе, достаточный для перехода транзистора в режим отсечки. Ничего не стоит с помощью простого мощного полевого МОП-транзистора (МОП-структура с V-образной канавкой) получить ток побольше, однако мощным полевым транзисторам присущи большие межэлектродные емкости, а представленная здесь гибридная схема как раз и позволяет преодолеть связанные с этим проблемы.