Биполярный источник тока (варианты)
Предложенные полезные модели относятся к электротехнике, и могут быть использованы в измерительных преобразователях и системах управления для преобразования напряжение-ток в широком диапазоне частот. Техническим результатом при их использовании является повышение выходного сопротивления устройства на высокой частоте, автоматическая стабилизация постоянной составляющей выходного тока на нулевом уровне, обеспечение независимости амплитуды выходного тока устройства, от разброса значений резисторов. Биполярный источник тока по первому варианту, содержит два последовательно включенных стабилизатора однополярного тока, каждый из которых состоит из своего транзистора, эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом своего операционного усилителя и через свой измерительный резистор с соответствующей шиной питания. База/затвор каждого транзистора, соединена с выходом своего операционного усилителя, а коллекторы/стоки первого и второго транзисторов соединены между собой и с выходной шиной. Узел управления стабилизаторами однополярного тока состоит из третьего и четвертого операционного усилителя и токозадающего резистора, при этом инвертирующий вход и выход каждого их этих операционных усилителей соединены, и их выходы соединены между собой через токозадающий резистор. Неинвертирущий вход четвертого операционного усилителя соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с входной шиной. Положительный и отрицательный вывод питания третьего операционного усилителя соединен с эмиттером/истоком первого и второго транзистора. К неинвертирующим входам первого и второго операционного усилителя подключены первый и второй источники напряжения смещения, соединенные с соответствующими шинами питания. Узел стабилизации постоянного уровня выходного тока состоит из интегратора и резистора, причем вход интегратора подключен к выходной шине, а его выход соединен через резистор с эмиттером/истоком второго транзистора.
Биполярный источник тока по второму варианту, по отношению к первому варианту дополнительно содержит третий и четвертый последовательно включенные стабилизаторы однополярного тока, состоящие каждый из своего транзистора, эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом пятого и шестого операционного усилителя соответственно, и через свой измерительный резистор с соответствующей шиной питания. База/затвор третьего и четвертого транзистора, соединена с выходом пятого и шестого операционного усилителя соответственно, а
коллекторы/стоки третьего и четвертого транзисторов соединены между собой и со второй выходной шиной. К неинвертирующим входам пятого и шестого операционного усилителя подключены третий и четвертый источники напряжения смещения, соединенные с соответствующими шинами питания. Второй узел стабилизации постоянного уровня выходного тока, состоит из второго интегратора и второго резистора и вход второго интегратора подключен ко второй выходной шине, а его выход соединен через второй резистор с эмиттером/истоком четвертого транзистора. Положительный и отрицательный выводы питания четвертого операционного усилителя соединены с эмиттерами/истоками третьего и четвертого транзистора соответственно, а нагрузка подключена между первой и второй выходными шинами. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Полезная модель относиться к электротехнике и может быть использована в измерительных преобразователях и системах управления для преобразования напряжение-ток в широком диапазоне частот.
Известен высокоскоростной преобразователь напряжение-ток [Performs highspeed voltage-to-current conversion. A. Mehmed, Southwood, UK. EDN / July 25, 2002 www.edn.com], содержащий два последовательно включенных стабилизатора однополярного тока на операционных усилителях (ОУ) и полевых или биполярных транзисторах, источники напряжения смещения, подключенные к неинвертирующим входам ОУ, узел управления первым стабилизатором однополярного тока, подключенный через измерительный резистор к эмиттеру/истоку транзистора, узел задания постоянного тока второго стабилизатора однополярного тока, подключенный через задающий резистор к эмиттеру/истоку второго транзистора. Причем выходной ток этого устройства равен разности токов первого и второго стабилизатора однополярного тока.
Недостатком указанного устройства является необходимость ручной подстройки нулевого уровня выходного тока, зависимость амплитуды выходного тока от сопротивления различных задающих резисторов схемы, что приводит к неодинаковой величине положительной и отрицательной амплитуды сигнала.
Известен биполярный источник тока [Титце У. и др. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир.1982. с 175-177, Рис.12.17], выбранный в качестве прототипа, содержащий два последовательно включенных стабилизатора однополярного тока на операционных усилителях (ОУ) и полевых или биполярных транзисторах, измерительные резисторы, соединенные с одной стороны с положительным или отрицательным источником питания через стабилитроны, и с эмиттерами/истоками транзисторов, с другой стороны, соответственно. Узел управления стабилизаторами однополярного тока выполнен на третьем и четвертом ОУ, выходы каждого из которых соединены с инвертирующими входами и соединены между собой задающим резистором. Выводы питания третьего ОУ соединены с неинвертирующими входами ОУ стабилизаторов однополярного тока и, через резисторы, с положительным или отрицательным источником питания.
Соответственно. Выходной ток этого устройства равен разности токов первого и второго стабилизатора однополярного тока.
Недостатком прототипа является, существенное снижение выходного сопротивления устройства с увеличением частоты входного сигнала из-за работы ОУ стабилизаторов тока с переменным входным сигналом. Кроме того, снижение выходного сопротивление вызывается необходимостью постоянной перезарядки емкости выходных транзисторов, так как при нулевом входном сигнале, ток через каждый выходной транзистор, так же снижается до нуля.
Задачей полезной модели является повышение выходного сопротивления устройства на высокой частоте, автоматическая стабилизация постоянной составляющей выходного тока на нулевом уровне, обеспечение независимости амплитуды выходного тока устройства, от разброса значений резисторов.
Поставленная задача решена за счет того, что биполярный источник тока по первому варианту, так же как в прототипе, содержит два последовательно включенных стабилизатора однополярного тока, каждый из которых состоит из своего транзистора, эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом своего операционного усилителя и через свой измерительный резистор с соответствующей шиной питания. База/затвор каждого транзистора, соединена с выходом своего операционного усилителя, а коллекторы/стоки первого и второго транзисторов соединены между собой и с выходной шиной. Узел управления стабилизаторами однополярного тока состоит из третьего и четвертого операционного усилителя и токозадающего резистора. Инвертирующий вход и выход каждого из этих операционных усилителей соединены, и их выходы соединены между собой через токозадающий резистор. Неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с входной шиной.
Согласно полезной модели положительный и отрицательный вывод питания третьего операционного усилителя соединены с эмиттером/истоком первого и второго транзистора, причем к неинвертирующим входам первого и второго операционного усилителя подключены первый и второй источники напряжения смещения, соединенный с соответствующими шинами питания. Узел стабилизации постоянного уровня выходного тока, состоит из интегратора и резистора. Вход интегратора подключен к выходной шине, а выход соединен через резистор с эмиттером/истоком второго транзистора.
Во втором варианте биполярного источника тока поставленная задача решена за счет того что, так же как в прототипе биполярный источник тока содержит два
последовательно включенных стабилизатора однополярного тока, каждый из которых состоит из своего транзистора, эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом своего операционного усилителя и через свой измерительный резистор с соответствующей шиной питания. База/затвор каждого транзистора, соединена с выходом своего операционного усилителя, а коллекторы/стоки первого и второго транзистора соединены между собой и с первой выходной шиной. Узел управления стабилизаторами однополярного тока состоит из третьего и четвертого операционного усилителя и токозадающего резистора. Инвертирующий вход и выход каждого из этих операционных усилителей соединены, а их выходы соединены между собой через токозадающий резистор. Неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с входной шиной.
В отличии от прототипа положительный и отрицательный вывод питания третьего операционного усилителя соединен с эмиттером/истоком первого и второго транзистора, причем к неинвертирующим входам первого и второго операционного усилителя подключены первый и второй источники напряжения смещения, соединенные с соответствующими шинами питания. Первый узел стабилизации постоянного уровня выходного тока, состоит из первого интегратора и первого резистора, причем вход первого интегратора подключен к первой выходной шине, а выход соединен через первый резистор с эмиттером/истоком второго транзистора. Третий и четвертый последовательно включенные стабилизаторы однополярного тока, состоят каждый из своего транзистора, эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом пятого и шестого операционного усилителя соответственно, и через свой измерительный резистор с соответствующей шиной питания. База/затвор третьего и четвертого транзистора, соединена с выходом пятого и шестого операционного усилителя соответственно, а коллекторы/стоки третьего и четвертого транзисторов соединены между собой и со второй выходной шиной. К неинвертирующим входам пятого и шестого операционного усилителя подключены третий и четвертый источники напряжения смещения, соединенные с соответствующими шинами питания. Второй узел стабилизации постоянного уровня выходного тока, состоит из второго интегратора и второго резистора. Вход второго интегратора подключен ко второй выходной шине, а выход соединен через второй резистор с эмиттером/истоком четвертого транзистора. Положительный и отрицательный выводы питания четвертого операционного усилителя соединены с
эмиттерами/истоками третьего и четвертого транзистора соответственно, а нагрузка подключена между первой и второй выходными шинами.
На Фиг.1 приведен первый вариант схемы биполярного источника тока
На Фиг.2 приведен второй вариант схемы биполярного источника тока (с дифференциальным токовым выходом).
Биполярный источник тока по первому варианту (Фиг.1) содержит первый стабилизатор однополярного тока, состоящий из первого ОУ 1. первого биполярного или полевого транзистора 2 эмиттер/исток которого, соединен с инвертирующим входом первого ОУ 1 и через первый измерительный резистор 3 с положительной шиной питания. База/затвор первого транзистора 2 соединена с выходом первого ОУ 1. К неинвертирующему входу первого ОУ 1 подключен первый источник напряжения смещения 4, соединенный с положительной шиной питания. Второй стабилизатор однополярного тока состоит из второго ОУ 5, второго биполярного или полевого транзистора 6 эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом второго ОУ 5 и через второй измерительный резистор 7 с отрицательной шиной питания. База/затвор второго транзистора 6 соединена с выходом второго ОУ 5. К неинвертирующему входу второго ОУ 5 подключен второй источник напряжения смещения 8, соединенный с отрицательной шиной питания. Узел стабилизации постоянного уровня выходного тока состоит из интегратора 9 и резистора 10. Вход интегратора 9 соединен с коллекторами/стоками первого и второго транзисторов 2, 6 и с выходной шиной. Выход интегратора 9 соединен через резистор 10 с эмиттером/истоком второго транзистора 6. Узел управления стабилизаторами однополярного тока состоит из третьего и четвертого ОУ 11, 12 и токозадающего резистора 13. Инвертирующий вход и выход третьего и четвертого ОУ 11, 12 соединены, а выходы соединены между собой токозадающим резистором 13. Неинвертирующий вход четвертого ОУ 12 соединен с общей шиной, неинвертирующий вход третьего ОУ 11 соединен с входной шиной. Положительный и отрицательный выводы питания третьего ОУ 11 соединены с эмиттерами/истоками первого и второго транзисторов 2, 6 соответственно.
В качестве интегратора 9 может быть выбрана стандартная схема инвертирующего интегратора на ОУ.
Биполярный источник тока (Фиг.2) по второму варианту дополнительно содержит третий стабилизатор однополярного тока, состоящий из пятого ОУ 14,
третьего биполярного или полевого транзистора 15 эмиттер/исток которого, соединен с инвертирующим входом пятого ОУ 14 и через третий измерительный резистор 16 с положительной шиной питания. База/затвор третьего транзистора 15 соединена с выходом пятого ОУ 14. К неинвертирующему входу пятого ОУ 14 подключен третий источник напряжения смещения 17, соединенный с положительной шиной питания. Четвертый стабилизатор однополярного тока, состоящий из шестого ОУ 18, четвертого биполярного или полевого транзистора 19 эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом шестого ОУ 18 и через четвертый измерительный резистор 20 с отрицательной шиной питания. База/затвор четвертого транзистора 19 соединена с выходом шестого ОУ 18. К неинвертирующему входу шестого ОУ 18 подключен четвертый источник напряжения смещения 21, соединенный с отрицательной шиной питания. Второй узел стабилизации постоянного уровня выходного тока состоит из второго интегратора 22 и второго резистора 23. Вход второго интегратора 22 соединен с коллекторами/стоками третьего и четвертого транзисторов 15, 19 и со второй выходной шиной. Выход интегратора 22 соединен через резистор 23 с эмиттером/истоком четвертого транзистора 19.
Положительный и отрицательный выводы питания четвертого ОУ 12 соединены с эмиттерами/истоками третьего и четвертого транзисторов 15, 19 соответственно.
Биполярный источник тока по первому варианту (Фиг.1) работает следующим образом. Выходной ток (I н) равен разности токов протекающих через первый и второй транзистор 2, 6 первого и второго стабилизаторов однополярного тока. При отсутствии входного сигнала ток коллектора первого транзистора 2 равен току через измерительный резистор 3, напряжение на котором заданно первым источником напряжения смещения 4, так что
IR=(Eсм -UbeVT)/R,
где,
I R- ток через первый измерительный резистор 3;
Е см - напряжение первого источника напряжение смещения 4;
UbeVT - напряжение перехода база-эмиттер первого транзистора 2:
R - сопротивление первого измерительного резистора 3;
Аналогичным образом задают ток через второй транзистор 6. Переменный входной сигнал подают на третий ОУ 11, при этом через токозадающий резистор 12 протекает соответствующий ток, точно такой ток потребляется по цепям питания третьего ОУ 11. Поскольку ток через первый и второй измерительные резисторы 3 и 7 фиксирован, то
IcVT1=I RI+Ioy+.
IcVT2 =IR2-Ioy-.
Iвыx=IcVT1-I cVT2=IR1+Ioy+ -IR2+Ioy-=
Ioy+Iсм,
где,
I cVT1,2 - ток, протекающий по цепи коллектор-эмиттер первого и второго транзистора 2 и 6 соответственно;
I oy+,- - ток, протекающий по положительной и отрицательной цепи питания третьего ОУ 11 соответственно;
I R1,R2 - ток, протекающий через первый и второй измерительный резисторы 3 и 7;
Iвых - выходной ток устройства
Iоу - разница потребляемый токов третьего ОУ 11 от положительного и отрицательного источника питания
Iсм - ток смещения, обусловленный разностью токов через первый и второй измерительный резисторы 3,7.
Ток смещения компенсируется выходным током интегратора 9. Выходное напряжение интегратора формируется пропорционально интегралу от выходного тока устройства. Этим напряжением задается дополнительный постоянный ток, который суммируется с входным током в эмиттерной цепи транзистора 6, таким образом, что компенсирует Iсм. Постоянную интегрирования выбирают много больше максимального периода колебаний входного сигнала, для того, чтобы переменная составляющая выходного тока не оказывала влияния на работу интегратора. Тем самым осуществляют автоматическую стабилизацию постоянной составляющей выходного тока на нулевом уровне.
Третий ОУ 11 работает на постоянную нагрузку с нулевым синфазным сигналом на входе, питание подключено к точкам с постоянным напряжением, это обеспечивает точное задание выходного тока входным напряжением в рабочем диапазоне частот. Первый и второй ОУ 1,5 первого и второго стабилизатора тока работают практически в режиме постоянного тока (напряжение на обоих входах постоянно, в отличие от схемы прототипа). Выходные емкости первого и второго транзисторов 4 и 6 перезаряжаются большими токами, которые не уменьшаются при переходе входного сигнала через ноль. Поэтому существенно уменьшен их вклад в искажения переходной характеристики устройства и обеспечено повышение выходного сопротивления на высокой частоте.
Второй вариант биполярного источника тока (Фиг.2) обеспечивает формирование дифференциального выходного тока в нагрузке. Работа этого источника
отличается от первого тем, что к выводам питания четвертого ОУ 12, подключаются такие же выходные каскады, что и к третьему ОУ 11. Таким образом, появилась возможность одновременно получить токи Iн и -Iн. причем амплитуды обоих токов одинаковые, поскольку заданы единственным резистором 13.
Кроме того отличительной особенностью этих биполярных источников тока является то, что амплитуда положительной и отрицательной полуволны зависит только от одного сопротивления, тем самым обеспечена независимость амплитуды выходного тока устройства от разброса значений резисторов.
1. Биполярный источник тока, содержащий два последовательно включенных стабилизатора однополярного тока, каждый из которых состоит из своего транзистора, эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом своего операционного усилителя и через свой измерительный резистор с соответствующей шиной питания, причем база/затвор каждого транзистора соединена с выходом своего операционного усилителя, а коллекторы/стоки первого и второго транзистора соединены между собой и с выходной шиной, узел управления стабилизаторами однополярного тока состоит из третьего и четвертого операционного усилителя и токозадающего резистора, при этом инвертирующий вход и выход каждого из этих операционных усилителей соединены, и их выходы соединены между собой через токозадающий резистор, неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с входной шиной, отличающийся тем, что положительный и отрицательный вывод питания третьего операционного усилителя соединен с эмиттером/истоком первого и второго транзистора, причем к неинвертирующим входам первого и второго операционного усилителя подключены первый и второй источники напряжения смещения, соединенные с соответствующими шинами питания, узел стабилизации постоянного уровня выходного тока состоит из интегратора и резистора, причем вход интегратора подключен к выходной шине, а его выход соединен через резистор с эмиттером/истоком второго транзистора.
2. Биполярный источник тока, содержащий два последовательно включенных стабилизатора однополярного тока, каждый из которых состоит из своего транзистора, эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом своего операционного усилителя и через свой измерительный резистор с соответствующей шиной питания, причем база/затвор каждого транзистора соединена с выходом своего операционного усилителя, а коллекторы/стоки первого и второго транзисторов соединены между собой и с первой выходной шиной, узел управления стабилизаторами однополярного тока состоит из третьего и четвертого операционного усилителя и токозадающего резистора, при этом инвертирующий вход и выход каждого из этих операционных усилителей соединены, и их выходы соединены между собой через токозадающий резистор, неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с входной шиной, отличающийся тем, что положительный и отрицательный вывод питания третьего операционного усилителя соединен с эмиттером/истоком первого и второго транзистора, причем к неинвертирующим входам первого и второго операционного усилителя подключены первый и второй источники напряжения смещения, соединенные с соответствующими шинами питания, первый узел стабилизации постоянного уровня выходного тока состоит из первого интегратора и первого резистора, причем вход первого интегратора подключен к первой выходной шине, а выход соединен через первый резистор с эмиттером/истоком второго транзистора, кроме того, третий и четвертый последовательно включенные стабилизаторы однополярного тока состоят каждый из своего транзистора, эмиттер/исток которого соединен с инвертирующим входом пятого и шестого операционного усилителя соответственно и через свой измерительный резистор с соответствующей шиной питания, причем база/затвор третьего и четвертого транзистора соединена с выходом пятого и шестого операционного усилителя соответственно, а коллекторы/стоки третьего и четвертого транзистора соединены между собой и со второй выходной шиной, при этом к неинвертирующим входам пятого и шестого операционного усилителя подключены третий и четвертый источники напряжения смещения, соединенные с соответствующими шинами питания, причем второй узел стабилизации постоянного уровня выходного тока состоит из второго интегратора и второго резистора и вход второго интегратора подключен ко второй выходной шине, а его выход соединен через второй резистор с эмиттером/истоком четвертого транзистора, при этом положительный и отрицательный выводы питания четвертого операционного усилителя соединены с эмиттерами/истоками третьего и четвертого транзистора соответственно, а нагрузка подключена между первой и второй выходными шинами.
