Преобразователь напряжения в ток на основе двух измерительных усилителей

В статье рассмотрен пре­образователь напряже­ния в ток, построенный на основе двух измерительных усилителей и имеющий по­грешность не хуже 0.01%.

Ф. Киарлоне

При разработке измерительных устройств часто используются преобразователи напря­жения в ток, сохраняющие высокую точ­ность при изменении сопротивления нагруз­ки. В общем случае такие преобразователи строятся на основе операционных усилите­лей (ОУ) и дискретных компонентов. При­чем на точность этих преобразователей влияют такие характеристики, как конеч­ность коэффициента усиления ОУ, токи и напряжения смещения нуля, недостаточная величина КОСС, а также нестабильность ха­рактеристик дискретных компонентов. По­этому, если требуется обеспечить высокую точность преобразования напряжения в ток, необходимо использовать прецизионные ре­зисторы, конденсаторы и ОУ. Еще одним не­достатком традиционного решения является то, что выходной ток такого преобразователя не во всем диапазоне пропорционален вход­ному напряжению. Принципиальная схема простейшего преобразователя напряжения в ток, выполненного на основе ОУ, приведена на рис. 1. Отметим, что выходной эмиттер­ный ток ІЕ транзистора Q1 лишь приблизи­тельно равен коллекторному I_C, кроме того, такая схема формирует ток только одной по­лярности.

Рис. 1. Принципиальная схема преобразователя напряжения в ток на основе операционного усилителя

Преобразователь напряжения в ток, сво­бодный от перечисленных недостатков, мо­жет быть построен на основе двух измери­тельных усилителей (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема преобразователя напряжения в ток на основе измерительных усилителей

Погрешность этого преобразователя не превышает 0.01%, входное напряжение V_IN находится в предемальное значение тока в нагрузке R_L состав­ляет 90 мА. Такая величина выходного тока обеспечивается включением на выходе VOUT_IC1 измерительного усилителя AD620BN транзи­сторов Q₁ и Q₂. Благодаря тому, что коэффи­циент усиления измерительных усилителей AD620 может регулироваться в пределах от 1 до 10 000, на вход преобразователя можно подавать сигналы низкого уровня с размахом до ±1 мВ. Кратко остановимся на назначе­нии элементов схемы. Первый измеритель­ный усилитель IC₁ управляет выходным транзисторным каскадом, выполненным на транзисторах разной проводимости Q₁ и Q₂, что, как отмечено выше, позволяет получить достаточно большой выходной ток разной по­лярности. Резисторы R₁, R₂ и диоды D₁, D₂ обеспечивают необходимые смещения напря­жений на базах транзисторов Q1 и Q2. Второй измерительный усилитель IC₂ включен в цепь обратной связи преобразователя и обес­печивает компенсацию изменения напряже­ний база-эмиттер транзисторов Q₁ и Q₂. Как было отмечено, погрешность данного пре­образователя составляет 0.01% на посто­янном токе, а на частоте входного напряже­ния V_IN, равной 1 кГц, типовая погрешность составляет 1.5% при напряжении V_OUT = ±5 В на нагрузке R_L.

Выражения для описания работы преобра­зователя напряжения в ток (рис. 2):

где V+C2 и Vc2 – входные напряжения усилителя IC1, VOU₁ – выходное напряжение IC1, Ac 1 – коэффициент усиления усилителя IC₁, V_REF – напряжение смещения усилителя IC₁.

где V+_c2 и Vc2 – входные напряжения усилителя IC₂, V_OUT – выходное напряжение IC₂, A_IC2 – коэффициент усиления усилителя IC₂, V_REF – напряжение смещения усилителя IC₂.

В нашем случае V+c 1=V_IN, V—c 1=0, aic 1=aic 2=1, V_REF =0. Подставляя эти значения в (1) и (2), получим:

или

На рис. 3 приведены зависимости погрешно­сти преобразователя напряжения в ток (рис. 2) от величины выходного тока при R_L=1 кОм и R_L=100 Ом, из которых следует, что данный преобразователь имеет высокую линейность в широком диапазоне изменения выходного тока и сопротивления нагрузки.

Рис. 3. Зависимости погрешности преобразователя напряжения в ток от величины выходного тока при RL=1 кОм и RL=100 Ом

ВЫВОДЫ

1. Традиционная схема построения преобра­зователя напряжения в ток на основе ОУ имеет невысокую точность, не может формировать токи разной полярности и требует использова­ния прецизионных резисторов и усилителей.
2. Схема преобразователя напряжения в ток на основе измерительных усилителей име­ет высокую точность, формирует токи разной полярности и не требует использования высо­коточных внешних компонентов.