Перетворювач напруги в струм на основі двох вимірювальних підсилювачів

У статті розглянуто перетворювач напруги в струм, побудований на основі двох вимірювальних підсилювачів і такий, що має похибку не гірше 0,01%.

Ф. Кіарлоне

Загальні відомості

Під час розробки вимірювальних пристроїв часто використовуються перетворювачі напруги в струм, які зберігають високу точність при зміні опору навантаження. У загальному випадку такі перетворювачі будуються на основі операційних підсилювачів (ОП) і дискретних компонентів. Причому на точність цих перетворювачів впливають такі характеристики, як скінченність коефіцієнта підсилення ОП, струми та напруги зміщення нуля, недостатня величина коефіцієнта ослаблення синфазного сигналу (КОСС), а також нестабільність характеристик дискретних компонентів.

Тому, якщо потрібно забезпечити високу точність перетворення напруги в струм, необхідно використовувати прецизійні резистори, конденсатори та ОП. Ще одним недоліком традиційного рішення є те, що вихідний струм такого перетворювача не в усьому діапазоні пропорційний вхідній напрузі.

Принципову електричну схему найпростішого перетворювача напруги в струм, виконаного на основі ОП, наведено на рис. 1. Зазначимо, що вихідний емітерний струм IE транзистора Q1 лише приблизно дорівнює колекторному струму IC, крім того, така схема формує струм лише однієї полярності.

Перетворювач напруги в струм, вільний від перелічених недоліків, може бути побудований на основі двох вимірювальних підсилювачів (рис. 2).

Похибка цього перетворювача не перевищує 0,01%, вхідна напруга VIN знаходиться в межах ±10 В, а максимальне значення струму в навантаженні RL становить 90 мА. Така величина вихідного струму забезпечується підключенням до виходу VOUT IC1 вимірювального підсилювача AD620BN транзисторів Q1 та Q2.

Завдяки тому, що коефіцієнт підсилення вимірювальних підсилювачів AD620 може регулюватися в межах від 1 до 10 000, на вхід перетворювача можна подавати сигнали низького рівня з розмахом до ±1 мВ.

Призначення елементів схеми

Перший вимірювальний підсилювач IC1 керує вихідним транзисторним каскадом, виконаним на транзисторах різної провідності Q1 та Q2, що, як зазначалося вище, дозволяє отримати досить великий вихідний струм різної полярності.

Резистори R1, R2 та діоди D1, D2 забезпечують необхідні зміщення напруг на базах транзисторів Q1 та Q2.

Другий вимірювальний підсилювач IC2 увімкнений у коло зворотного зв’язку перетворювача та забезпечує компенсацію змін напруг база-емітер транзисторів Q1 та Q2.

Як було зазначено, похибка цього перетворювача становить 0,01% на постійному струмі, а на частоті вхідної напруги VIN, що дорівнює 1 кГц, типова похибка становить 1,5% при напрузі VOUT = ±5 В на навантаженні RL.

де V+C1 і V−C1 — вхідні напруги підсилювача IC1, VOUT1 — вихідна напруга IC1, AIC1 — коефіцієнт підсилення підсилювача IC1, VREF — напруга зміщення підсилювача IC1.

де V+C2 і V−C2 — вхідні напруги підсилювача IC2, VOUT — вихідна напруга IC2, AIC2 — коефіцієнт підсилення підсилювача IC2, VREF — напруга зміщення підсилювача IC2.

У нашому випадку:

V+c 1=V_IN, V—c 1=0, aic 1=aic 2=1, V_REF =0.

Підставляючи ці значення у вирази (1) та (2), отримаємо:

або

Залежність похибки від вихідного струму

На рис. 3 наведено залежності похибки перетворювача напруги в струм (рис. 2) від величини вихідного струму при RL = 1 кОм та RL = 100 Ом, з яких випливає, що цей перетворювач має високу лінійність у широкому діапазоні зміни вихідного струму та опору навантаження.

Висновки

• Традиційна схема побудови перетворювача напруги в струм на основі ОП має невисоку точність, не може формувати струми різної полярності та потребує використання прецизійних резисторів і підсилювачів.

• Схема перетворювача напруги в струм на основі вимірювальних підсилювачів має високу точність, формує струми різної полярності та не потребує використання високоточних зовнішніх компонентів.