Precyzyjne źródła prądowe

Rys. 1. Źródło prądowe ze wzmacniaczem pomiarowym

Źródło prądowe łatwo daje się utworzyć za pomocą wzmacniacza pomiarowego (instrumentation amplifier). Przykładowy jego schemat jest pokazany na rys. 1. Wzmacniacz pomiarowy jest układem o dwóch wejściach i zwykle jednym wyjściu. Sygnałem wyjściowym jest wzmocniona różnica sygnałów wejściowych. Jego graficzny symbol jest taki sam, jak wzmacniacza operacyjnego, dla odróżnienia od którego ma wpisane wzmocnienie. Funkcję przenoszenia wzmacniacza pomiarowego opisuje poniższe równanie.

U_WYJ = W(U_WEJ+ - U_WEJ-)

Przy wzmocnieniu (W) równym jedności napięcie wyjściowe jest różnicą napięć wejściowych. Napięcie wyjściowe zawsze jest o U_UST niższe od napięcia obciążenia U_OBC. Prąd obciążenia wyraża się równaniem:

Rys. 2. Źródło prądowe ze wzmacniaczem operacyjnym i diodowym wzorcem napięcia

Wyjście jest połączone rezystorem z wejściem nieodwracającym. Jest to jeszcze jeden przykład, że dodatnie sprzężenie zwrotne nie zawsze jest złem, że czasem bywa korzystne. Pomimo dodatniego sprzężenia zwrotnego przy wzmocnieniu równym jedności i z wprowadzonym przez rezystor tłumieniem wzmocnienie w pętli niewątpliwie jest mniejsze od jedności. Natężenie prądu jest ograniczone możliwościami wzmacniacza. Przedstawiony układ nie jest szeroko znany i stosowany głównie z tego powodu, że wzmacniacze pomiarowe są stosunkowo drogie. Niemniej jest to jednak układ warty zapamiętania, który może się kiedyś przydać.

Źródło prądowe ze wzmacniaczem operacyjnym

Rys. 3. Regulowane źródło prądowe ze wzmacniaczem operacyjnym

Wzmacniacze operacyjne są znacznie tańsze od pomiarowych, jednak w omawianym zastosowaniu zawsze jest potrzebny wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniu równym jedności. Jego realizację umożliwia użycie diody dostarczającej napięcia odniesienia. Rozwiązanie takie jest pokazane na rys. 2.

Płynący przez diodę prąd polaryzujący obniża napięcie wejścia odwracającego o spadek napięcia na diodzie. O ten sam spadek napięcia na diodzie względem wyjścia ujemne sprzężenie zwrotne obniża napięcie obciążenia na wejściu nieodwracającym, zgodnie z równaniem:

U_OBC = U_WYJ - U_DIOD

Działanie ujemnego sprzężenia zwrotnego zmienia napięcie wyjściowe wzmacniacza tak, aby oba napięcia wejściowe zostały zrównane. Wtedy napięcie wyjściowe jest o spadek napięcia na diodzie wyższe od napięcia wejściowego. Ta sama różnica napięć występuje na rezystorze, łączącym wejście z wyjściem. Rezystor ten, jak wykazuje poniższe równanie, wyznacza natężenie prądu.

Rys. 4. Udoskonalone regulowane źródło prądowe ze wzmacniaczami operacyjnymi

W pierwszej chwili może dziwić, jak układ działa z rezystorem ustalającym i ujemne i dodatnie sprzężenia zwrotne. Dodatnie sprzężenie zwrotne rzeczywiście działa, ale rezystancja obciążenia zmniejsza jego wielkość poniżej jedności. Jednak ujemne sprzężenie zwrotne nie jest redukowane (jedynie nieco obniżone), sprzężenia ujemnego jest więc więcej niż dodatniego.

Dioda przewodzi tylko wtedy, gdy napięcie polaryzacji jest niższe od napięcia obciążenia. Układ ten jest łatwy do wykonania. Jego główną wadą jest kiepska jakość diody jako wzorca napięcia, ponieważ jej napięcie przewodzenia zależy od temperatury. Ale do wielu zastosowań układ ten zupełnie wystarcza. Takie źródło prądowe działa z jednym napięciem ustalającym. Są jednak aplikacje, wymagające źródła prądowego z napięciową regulacją natężenia.

Napięciowo regulowane źródło prądowe ze wzmacniaczem operacyjnym

Rys. 5. Udoskonalone regulowane źródło prądowe z pojedynczym wzmacniaczem operacyjnym

Nietrudno wykonać wzmacniacz operacyjny o wzmocnieniu 2. Jeżeli rezystor sprzężenia zwrotnego utworzyć w postaci dzielnika napięcia o podziale równym 2, dwukrotnie wzmocnione napięcie obciążenia będzie redukowane do wielkości początkowej. Taki układ jest pokazany na rys. 3. Biorąc dla dzielnika równoważnik Th evenina, łatwo można obliczyć prąd obciążenia. Pokazuje to zależność:

Układ ten, wykonany przy użyciu jednego tylko wzmacniacza operacyjnego, umożliwia regulowanie natężenia prądu za pośrednictwem napięcia ustalającego. Jego największą wadą jest mały zakres regulacji. Napięcie wyjściowe jest dwukrotnie wyższe od napięcia obciążenia. Wzmacniacz operacyjny zasilany napięciem 5V, nawet rail-to-rail, pozwoli zmieniać U_OBC tylko w zakresie 2,5V.

Udoskonalone regulowane napięciowo źródło prądowe ze wzmacniaczami operacyjnymi

Rys. 6. Schemat zastępczy źródła prądowego z rys. 5

Można sobie wyobrazić podzielenie sygnału dopiero po jego podwojeniu, co usuwa ograniczenie zakresu tego napięcia. Taki układ jest pokazany na rys. 4. Wzmacniacz otrzymuje połowę sumy napięć, ustalającego i obciążenia. Dzięki dwukrotnemu wzmocnieniu na R_UST pojawia się napięcie U_UST, a na wyjściu U_OBC + U_UST.

Jeśli przyjąć U_UST = 0,5V, w porównaniu z poprzednio opisanym układem ze wzmacniaczem operacyjnym, zakres zmian U_OBC wzrasta z 2,5V do 4,5V. Wadą tego układu jest konieczność użycia dwóch wzmacniaczy operacyjnych. Dodatkowy wzmacniacz służy do izolowania napięcia obciążenia od rezystancji R_UST. Są jednak sposoby izolowania tego napięcia bez użycia wzmacniacza.

Udoskonalone regulowane napięciowo źródło prądowe z jednym wzmacniaczem operacyjnym

Rys. 7. Wzmacniacz różnicowy z przełączaniem pojemności

W omówionym poprzednio układzie dodatkowy wzmacniacz operacyjny służy jako bufor pomiędzy napięciem obciążenia a dzielącym napięcie tłumikiem. Rezystancja wejściowa bufora jest nieskończenie wielka, a wyjściowa jest zerowa. Jest to doskonałe rozwiązanie, jeżeli nieskończona izolacja jest potrzebna. Ale czy jest tak rzeczywiście? W inżynierskiej praktyce wystarcza, aby izolacja była dostatecznie wysoka. Czy nie lepsze jest zatem użycie prostszego rozwiązania o dopuszczalnej dokładności zamiast bardziej dokładnego i bardziej skomplikowanego? Warto chyba uznać wielkość nieskończoną za zbyt dużą, aby sprawiała trudności, a zerową za zbyt małą, aby dała się zauważyć.

Akceptowalną izolację można uzyskać, wybierając rezystory tłumika znacznie większe od rezystancji ustalającej. Takie rozwiązanie jest pokazane na rys. 5. Uwzględniając wzajemne oddziaływanie rezystorów, otrzymuje się natężenie prądu obciążenia, przedstawione zależnością:

Po rozdzieleniu napięć:

Usunięcie bufora izolującego powoduje niewielki wzrost prądu przy pomijalnym wpływie impedancji pasożytniczej. Pokazuje to schemat zastępczy na rys. 6. Tworząc przykładowo źródło prądowe 20mA, można wybrać napięcie ustalające 1V i rezystor ustalający 49,9Ω 1%. Jeśli za tłumik przyjmie się dwa rezystory po 1MΩ, to równoległe połączenie 2MΩ z 49,9Ω wyniesie 49,89887550Ω, a impedancja pasożytnicza 2MΩ.

Napięciowo regulowane źródło prądowe z pojedynczym wzmacniaczem operacyjnym i przełączaną pojemnością

Rys. 8. Źródło prądowe ze wzmacniaczem różnicowym z przełączaniem pojemności

Zbudowanie wzmacniacza różnicowego z przełączaną pojemnością jest łatwe. Wzmacniacz taki jest pokazany na rys. 7. Jest to system taktujący w dwóch fazach. W obwodach pierwszej fazy (φ1) następuje przeniesienie napięcia, a w obwodach drugiej (φ2) przekazanie ładunku. Przełączenia faz nie nakładają się, istnieje między nimi czas martwy, rozłączają się przed połączeniem, co oznacza, że nigdy styki faz nie są połączone, nawet na moment, równocześnie. W fazie przenoszenia napięcia wyjście wzmacniacza operacyjnego jest bezpośrednio połączone z jego odwracającym wejściem.

Takie ujemne sprzężenie zwrotne powoduje, że wejście to ma ten sam potencjał co wejście nieodwracające (masa). Wejściowa elektroda kondensatora wejściowego Ci jest połączona z U_WEJ+ a wyjściowa elektroda kondensatora sprzężenia zwrotnego Cf z masą. W fazie przekazywania ładunku wejście kondensatora wejściowego jest łączone z U_WEJ–. Zmiana napięcia wymaga pewnego czasu na przepływ ładunku, pokazanego w równaniu:

q = C_i (U_WEJ+ - U_WEJ-)

Ładunek ten musi przepłynąć przez kondensator sprzężenia zwrotnego C_f, czego skutkiem jest zmiana U_WYJ, przedstawiona w taki sposób:

q = U_WYJ C_f = C_i (U_WEJ+ - U_WEJ-);

Wyjściowy układ rejestrujący ładunek w formie próbki (sample and hold), na koniec fazy przenoszenia ładunku, służy do przetwarzania ciągu próbek w sygnał ciągły. Wzmocnienie zależy od stosunku dwóch pojemności biorących udział w przetwarzaniu. Jeżeli ich pojemności są jednakowe, wzmocnienie jest równe jedności. Dokładniejszy opis działania tego układu można znaleźć w nocie aplikacyjnej AN2041 firmy Cypress Semiconductor.

Używając programowalnego systemu w chipie CY8C27x4 tej firmy, można zbudować powyższy układ z analogowym blokiem pojedynczego przełączanego kondensatora, jak pokazuje rys. 8. Bufor wyjściowy tego wzmacniacza może dostarczać lub pobierać prąd 40mA przy napięciu wyjściowym o 0,75V niższym od napięcia zasilania. W CY8C27x4 można zrealizować do czterech opisanych źródeł prądowych.

(KKP)