Преобразователи напряжение-ток (ПНТ) также являются важным элементом в схемотехнике аналоговых электронных устройств. На их основе могут быть выполнены различные прецизионные операционные усилители, в которых ПНТ используется как входной дифференциальный каскад; ПНТ органично входят в структуры АПН и могут использоваться в различных измерительных схемах.
1. Простейшие преобразователи напряжения в ток
Принцип преобразования напряжения в ток может быть проиллюстрирован с помощью простейшего усилительного каскада на одиночном транзисторе (рис. 1).
(Отметим, что резистор R1 выполняет функцию подключения коллектора к шине питания; он достаточно низкоомный и служит как датчик тока при измерении тока коллектора.)
Рис. 1. Простейший преобразователь напряжение-ток на одиночном транзисторе
Предположим, что напряжение смещения UC транзистору обеспечивает источник сигнала UС. Тогда для тока эмиттера IЭ транзистора может быть записано следующее уравнение:
- (1)
Оценивать качество преобразования входного напряжения в выходной ток (ток коллектора IK транзистора) наиболее просто, находя крутизну прямого преобразования S:
при условии, что 1.
Находить производную от выражения (1) в явном виде достаточно громоздкая процедура, поэтому можно найти производную dUC/dIk, а затем взять обратную величину:
то есть
- (2)
Выражение (2) показывает, что качество преобразования входного напряжения в выходной ток существенным образом зависит от дифференциального сопротивления эмиттера транзистора, которое, в свою очередь, зависит от тока эмиттера, а следовательно, от входного напряжения. Таким образом, простейший ПНТ обладает двумя существенными недостатками:
- нелинейностью крутизны преобразования;
- отсутствие возможности осуществлять преобразование двухполярных сигналов.
2. ПНТ на основе дифференциальных каскадов
Обеспечить преобразование двухполярных сигналов можно с помощью ПНТ на основе дифференциального каскада с последовательной отрицательной обратной связью по току в эмиттерной цепи (рис. 2а).
а) б)
Рис. 2. Преобразователь напряжение-ток а) и его проходная характеристика б)
Для схемы ПНТ (рис. 2а), воспользовавшись вторым правилом Кирхгофа, можно записать следующее уравнение для узловых потенциалов:
Стабилизатор напряжения
... стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами. При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного ... ), которое определяется как отношение изменения выходного напряжения стабилизатора к изменению тока нагрузки (ΔIH ) при неизменном входном напряжении: Для простейшего стабилизатора R ВЫХ= rд.ст . ...
, (3)
где T температурный потенциал;
- IХ приращение тока через резистор R1 при воздействии входного напряжения UX.
С учётом того, что разность напряжений база-эмиттер можно представить как:
проходная характеристика такого звена (рис. 2б) может быть представлена следующим образом:
- (4)
Очевидно, что нелинейная составляющая в проходной характеристике определяется первым слагаемым в выражении (4).
Достаточно удобным способом оценки погрешности такого преобразователя, обусловленной нелинейностью, может служить нахождение отклонения реальной функции IХ /I0 (кривая 2 на рис. 2б) от её линейного приближения (кривая 1 на рис. 1б).
Отметим, что кривая 2 (рис. 2б) представляет собой разность выходных токов коллекторов транзисторов дифференциальной пары.
Отклонение от линейности можно представить следующим образом:
, (5)
где SX=dIX /dUX крутизна прямой передачи, определяемая из выражения (4);
- IX абсолютное отклонение тока;
- S0 =I0 /U0 крутизна прямой передачи при линейном приближении;
- I0 максимальный выходной ток преобразователя при подаче на вход максимального напряжения U0.
Отметим, что SX(0) = S0, поэтому:
; (6)
, (7)
где rE = T/I0 дифференциальное выходное сопротивление транзисторов VT1, VT2 со стороны эмиттера при начальном токе I0; X=IX/I0.
Подставляя (6) и (7) в (8), получаем:
, (8)
поскольку при << 1 можно положить IX/I0 UX/U0.
Формула (5) справедлива при относительно малых погрешностях преобразования меньше 2-3 %. В этом случае при моделировании относительное отклонение от линейности можно представить как:
преобразователь ток напряжение
, (8а)
где SМАКС максимальное значение крутизны на участке U0.
Из (8) следует, что приемлемых уровней погрешности (меньше 0,1 %) можно достичь только при выполнении условий: R1/2rE > 500 и относительном изменении тока X<0,75. Для ПНТ, работающих при питающих напряжениях 15 В, эти условия могут быть легко реализованы. Для низковольтных схем (при их питании от напряжений меньше 5 В) выполнение этих условий приведёт к резкому снижению крутизны преобразования входного напряжения в выходной ток, повышению уровня шумов и т.д.
Основная погрешность линейности преобразования рассмотренного ПНТ обусловлена существенной режимной зависимостью rE от тока эмиттера.
3. Повышение линейности ПНТ
Каким же образом можно уменьшить влияние дифференциального сопротивления эмиттера на работу подобного ПНТ?
Одним из способов снижения влияния дифференциального сопротивления эмиттеров транзисторов служит введение отрицательной обратной связи.
Упрощённая принципиальная схема ПНТ с операционными усилителями в цепи обратной связи приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Упрощённая схема ПНТ с операционными усилителями
В этой схемотехнической конфигурации повышение линейности достигается за счёт того, что разность напряжений между входами операционного усилителя имеет достаточно малое значение, которое практически не меняется, значение дифференциального сопротивления эмиттера делится в петлевое усиление раз, что можно описать выражением:
Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока
... курсовой работы является изучение метрологического обеспечения измерений напряжения и тока. В соответствии с поставленной целью в работе поставлены 1. Рассмотреть основные методы измерений напряжения и тока. 2. Раскрыть особенности измерений напряжения и тока ... 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую, они разделяются на несколько групп ...
, (9)
где К коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.
Из (9) можно получить выражение для крутизны преобразования входного напряжения в ток:
, (10)
то есть влияние нелинейной составляющей ослабляется в петлевое усиление раз.
С точки зрения линейности, такая схема обладает наилучшей линейностью преобразования напряжения в ток (при достаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя), практически не требует настройки, однако достаточно сложна и обладает полосой пропускания, определяемой операционным усилителем.
На рисунке 4 приведён достаточно простой вариант реализации такой схемы при интегральном исполнении, однако, как видно из рисунка, он весьма громоздок, причём на рисунке отсутствуют реальные источники тока.
Рис. 4. Схема ПНТ с линеаризацией крутизны преобразования за счёт ООС
В связи с вышеизложенным схему ПНТ (рис. 4) целесообразно использовать только при интегральном исполнении. Кроме того, следует помнить, что частотные свойства такого преобразователя будут не очень хорошими по сравнению с ПНТ на одиночном дифференциальном каскаде.
Другой способ устранения нелинейности преобразования демонстрируется схемой ПНТ, представленной на рисунке 5. Этот способ компенсации нелинейности получил достаточно широкое распространение [19, 20]. Суть его заключается в следующем: тем или иным способом формируется компенсирующий ток, ослабляющий влияние изменения rE дифференциального каскада при изменении тока эмиттера.
Работает схема ПНИ (рис. 5) следующим образом. Транзисторы VT1 и VT6, образующие дифференциальный каскад, с помощью резистора R1 осуществляют преобразование входного напряжения в выходной ток. Транзисторы VT2 и VT5 включены по схеме с общей базой и передают токи коллекторов транзисторов VT1 и VT6 на выход с коэффициентом передачи α 1. Одновременно с этим при изменении токов эмиттеров транзисторов VT2 и VT5 меняются и их напряжения база-эмиттер. В этом случае меняется и разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT2 и VT5, причём в зависимости от знака приращения входного напряжения UX разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT2 и VT5 также меняет знак. Вспомогательный дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 с помощью резистора RK преобразует напряжение, пропорциональное разности баз-эмиттер транзисторов VT2 и VT5, в ток, который перекрёстным образом отправляется на токовые выходы ПНТ. Поскольку в базовой схеме ПНТ на транзисторах VT1 и VT6 присутствует составляющая, обусловленная UБЭ1,6 этих транзисторов, то при условии, что транзисторы VT2 и VT5 в точности идентичны транзисторам VT1 и VT6, а токи источников опорного тока одинаковы, выбором сопротивления резистора RK можно скомпенсировать влияние UБЭ1,6.
Рис. 5. ПНТ с линеаризацией влияния дифференциального сопротивления эмиттеров транзисторов дифференциального каскада
Оценку нелинейности преобразования напряжения в ток для схемы рисунка 5 можно произвести следующим образом. Рассмотрим следующие уравнения:
Исследование биполярных и полевых транзисторов
... также максимально допустимыми режимами эксплуатации. Электрические параметры транзистора приведены в таблице 1. Таблица 1 Электрические параметры транзистора КТ301Ж Наименование Обозначение Значения Режимы измерения минимальное максимальное Uк , В Uэ ... 10 20 Обратный ток эмиттера, мкА Iэбо 10 3 Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, В Uкэ нас 3 10 1 Напряжение насыщения база-эмиттер, В Uбэ нас 2,5 ...
; (11)
, (12)
где разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT2 и VT5;
- IK компенсирующий ток вспомогательного дифференциального каскада на транзисторах VT3 и VT4; К = IK/I0, Х = IX/I0.
Суммарный выходной ток ПНТ c учётом знаков приращений можно представить как I = IX —
