Биполярный источник тока
Предложенная полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в измерительных преобразователях и системах управления, для преобразования напряжения в ток в широком диапазоне частот. Техническим результатом при ее 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 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. Положительный и отрицательный выводы питания третьего операционного усилителя соединены с эмиттером/истоком первого и второго транзисторов. Инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с общей шиной, а его неинвертирующий вход с коллекторами/стоками первого и второго транзисторов и через токозадающий резистор с входной шиной. 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. Вход интегратора подключен к выходной шине и к выходу третьего операционного усилителя, а выход интегратора соединен через резистор с эмиттером/истоком второго транзистора. 1 н.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в измерительных преобразователях и системах управления, для преобразования напряжения в 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 задания постоянного напряжения смещения, подключенные к неинвертирующим входам ОУ, узел управления первым стабилизатором 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 равен разности токов первого и второго стабилизатора однополярного тока.
Недостатком указанного преобразователя 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 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 сопротивления вызывается необходимостью постоянной перезарядки емкости выходных транзисторов, так как при нулевом входном сигнале ток через каждый выходной транзистор также 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, 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.
Согласно полезной модели положительный и отрицательный выводы питания третьего операционного усилителя соединены с эмиттером/истоком первого и второго транзистора. Инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с общей шиной, а его неинвертирующий вход с коллекторами/стоками первого и второго транзисторов и через токозадающий резистор с входной шиной. 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 и к выходу третьего операционного усилителя, а выход интегратора соединен через резистор с эмиттером/истоком второго транзистора.
На Фиг.1 приведена схема биполярного источника тока.
Биполярный источник тока (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 выходной шиной и выходом третьего ОУ 11, а выход через резистор 10 с эмиттером/истоком второго транзистора 6. Положительный и отрицательный вывод питания третьего ОУ 11 соединены с эмиттерами/истоками первого и второго транзисторов 2, 6 соответственно. Инвертирующий вход третьего ОУ 11 соединен с шиной земли, а неинвертирующий с коллекторами/истоками первого и второго транзисторов 2, 6 и через токозадающий резистор 12 с входной шиной.
Биполярный источник тока (Фиг.1) работает следующим образом. Выходной ток (Iн) равен разности токов, протекающих через первый и второй транзисторы 2, 6 первого и второго стабилизаторов однополярного тока. При отсутствии входного сигнала ток коллектора первого транзистора 2 равен току через первый измерительный резистор 3, напряжение на котором задают первым источником напряжения смещения 4, так что
IR=(E cм-UbeVT)/R,
где,
I R - ток через первый измерительный резистор 3;
E cм - напряжение первого источника напряжение смещения 4;
UbeVT - напряжение перехода база-эмиттер первого транзистора 2;
R - сопротивление первого измерительного резистора 3.
Аналогичным образом задается ток через второй транзистор 6.
Выходное напряжение интегратора формируется пропорционально интегралу от выходного тока устройства. Этим напряжением задается дополнительный постоянный ток, который суммируется с током в эмиттерной цепи транзистора 6 таким образом, что компенсирует разницу постоянных токов транзисторов 2 и 6. 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.
Входное напряжение задает ток через резистор 12. Этот же ток потребляется по цепям питания ОУ 11 и замыкается через нагрузку.
Этим обеспечивают сразу несколько условий для повышения выходного сопротивления устройства на высокой частоте: токозадающие элементы, транзисторы 2 и 6, работают с постоянными напряжениями на коллекторах и эмиттерах, что позволяет линеаризовать передаточную характеристику стабилизаторов однополярного тока. Выходные емкости транзисторов перезаряжаются большими токами, этим исключается их влияние на выходной ток, чем значительно расширяют частотный диапазон работы транзисторов. Выходной ОУ 12 работает с нулевым синфазным сигналом на входе, при этом, сохраняя максимально возможный коэффициент усиления, чем также обеспечивают повышение выходного сопротивления устройства на высокой частоте, и значительно снижают требования к параметрам ОУ.
Отличительной особенностью биполярного источника тока является то, что амплитуда положительной и отрицательной полуволны зависит только от одного сопротивления 12, тем самым обеспечивают независимость амплитуды выходного тока устройства от разброса значений резисторов.
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, отличающийся тем, что положительный и отрицательный выводы питания третьего операционного усилителя соединены с эмиттером/истоком первого и второго транзисторов, инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с общей шиной, а его неинвертирующий вход с коллекторами/стоками первого и второго транзисторов и через токозадающий резистор с входной шиной, 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 и к выходу третьего операционного усилителя, а выход интегратора соединен через резистор с эмиттером/истоком второго транзистора.
