Патент на изобретение №2173021

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЕ-ТОК

(57) Реферат:

Изобретение относится к промышленной электронике и может быть использовано в приборостроении для формирования токового сигнала в нагрузке с произвольным сопротивлением, в схемах генераторов пилообразного напряжения. Предложен преобразователь напряжения в ток, обеспечивающий расширение диапазона регулирования токов в сторону малых значений, что является техническим результатом. В преобразователе напряжения в ток, содержащем первый операционный усилитель с отрицательной обратной связью, охваченный также положительной обратной связью, содержащей два резистора, один из которых включен между выходом операционного усилителя и выходом преобразователя, а второй подключен к неинвертирующему входу упомянутого усилителя, дополнительно введен второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к выходу преобразователя, а неинвертирующий вход соединен с цепью отрицательной обратной связи этого усилителя и резистором, подключенным к неинвертирующему входу первого операционного усилителя. 1 ил.

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано в приборостроении для формирования токового сигнала в нагрузке с произвольным сопротивлением, в схемах генераторов пилообразного напряжения, преобразователях напряжения в частоту.

Известен преобразователь напряжения в ток (см., например, Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – 2-е изд., перераб. и доп. Л., Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1988, с. 69, рис. 2-6,а), содержащий усилитель с транзистором и резистором в цепи отрицательной обратной связи. Благодаря включению нагрузки в цепь коллектора транзистора и глубокой обратной связи по току, обеспечиваются линейность передаточной функции (зависимости тока от входного напряжения) и очень малая зависимость тока от напряжения на нагрузке. Однако при построении слаботочных преобразователей (нано- и микроамперного диапазонов) из-за большого влияния неуправляемых токов транзистора точность преобразователя значительно снижается. Кроме этого, преобразователь формирует ток только одного направления.

Известен также преобразователь напряжение – ток для заземленной нагрузки (см. , например, Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов.радио, 1979, с. 169-170, рис. 4-14,б), содержащий усилитель, охваченный положительной и отрицательной обратными связями, выполненными на четырех резисторах, с подключением нагрузки к неинвертирующему входу усилителя. К недостаткам схемы относятся сложность обеспечения требуемого соотношения сопротивлений в цепи положительной обратной связи при плавной регулировке коэффициента передачи преобразователя или при его настройке. При построении слаботочных преобразователей из-за погрешностей высокоомных резисторов существенно проявляется зависимость выходного тока от напряжения на нагрузке.

Наиболее близким к заявляемому является преобразователь напряжение – ток (см. , например, О.В. Кустов, Лундин В.З. Операционные усилители в линейных цепях. М. : Связь, 1978, с. 170-171, рис. 4-15,г), содержащий операционный усилитель с отрицательной обратной связью, охваченный также положительной обратной связью, выполненной на трех резисторах. Нагрузка подключается к средней точке резисторов, включенных между выходом усилителя и его неинвертирующим входом. К недостаткам схемы относятся сложность обеспечения требуемого соотношения сопротивлений в цепи положительной обратной связи при плавной регулировке коэффициента передачи преобразователя или при его настройке. При использовании вместо двух резисторов, включенных между выходом усилителя и его неинвертирующим входом, одного переменного резистора облегчается регулирование выходного тока этим резистором, но из-за больших погрешностей сопротивлений переменных резисторов и их низкой температурной стабильности невозможно обеспечить малую зависимость тока от напряжения на нагрузке в широком диапазоне температур и в течение длительного времени. При построении слаботочных преобразователей из-за возрастания погрешностей по мере увеличения сопротивления резисторов существенно проявляется зависимость выходного тока от напряжения на нагрузке.

Задачей изобретения является расширение диапазона регулирования токов в сторону малых значений.

Решение задачи достигается тем, что в преобразователе напряжение – ток, содержащем первый операционный усилитель с отрицательной обратной связью, охваченный также положительной обратной связью, содержащей три резистора один из которых включен между выходом операционного усилителя и выводом для подключения нагрузки, а второй и третий резисторы подключены к неинвертирующему входу упомянутого усилителя, дополнительно введен второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к выводу для подключения нагрузки, а инвертирующий вход соединен с цепью отрицательной обратной связи второго усилителя и третьим резистором.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено вторым операционным усилителем, неинвертирующий вход которого подключен к выходу преобразователя, а инвертирующий вход соединен с цепью отрицательной обратной связью второго усилителя и третьим резистором
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию “новизна”.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию “существенные отличия”.

На чертеже приведена схема преобразователя напряжение – ток. Предложенное устройство содержит первый операционный усилитель 1 (A1), выход которого соединен с выходом 2 преобразователя через первый резистор 3 (R5). Цепь отрицательной обратной связи усилителя 1, стабилизирующая его коэффициент усиления, образована резисторами 4 (R1) и 5 (R3). Второй 6 (R2) и третий 7 (R4) резисторы подключены к неинвертирующему входу усилителя 1. Второй операционный усилитель 8 (A2) подключен неинвертирующим входом к выводу для подключения нагрузки 2, а инвертирующим – к третьему резистору 7. Цепь отрицательной обратной связи усилителя 8 может быть выполнена путем соединения выхода усилителя 8 с его инвертирующим входом непосредственно или через резистор 9 (R6). Нагрузка 10 (R_н) подключается через выходной зажим 2. При необходимости получения дополнительного сигнала, пропорционального напряжению на нагрузке 10, выход усилителя 8 может быть подключен к дополнительному выводу 11 преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом. Входные напряжения U₁ и U₂ на выходе усилителя 1 формируют напряжение U_1вых, по действием которого через резистор 3 протекает ток, который далее течет в нагрузку 10. Пренебрегая ввиду их малости входными токами усилителей 1 и 8, составим систему уравнений, описывающих состояние схемы. Рассматривая цепи, образованные резисторами 4, 5 и 6, 7 как два пассивных сумматора токов, получаем
U_1ВХ.И=(U₁R3+U_1ВЫХR1)/(R1+R3);
U_1ВХ.Н=(U₂R4+U_2ВХ.ИR2)/(R2+R4),
где U_1ВХ.И и U_1ВХ.Н – напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя 1, соответственно; U_2ВХ.И – напряжение на инвертирующем входе усилителя 2.

Благодаря глубокой отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель 1, и большому его коэффициенту усиления напряжение U_1ВХ.И на инвертирующем входе и напряжение U_1ВХ.Н на неинвертирующем входе равны друг другу. Аналогично для усилителя 2 можно записать
U_2ВХ.И=U_2ВХ.Н.

Кроме этого, в соответствии со схемой
U_2ВХ.Н=U_Н,
где U_Н – напряжение на нагрузке 10.

Учитывая также, что
U_1ВЫХ-U_Н=I_ВЫХR5;
U_Н=I_ВЫХR_Н,
при R1/R3=R2/R4 после преобразования получаем
I_ВЫХ=(U₂-U₁)R3/(R1R5).

Таким образом, выходной ток I_ВЫХ преобразователя при R1/R3=R2/R4 не зависит от напряжения на нагрузке 10, причем это свойство не зависит от сопротивления резистора 3 (R5). Плавное регулирование выходного тока можно осуществлять изменением сопротивления резистора 3 в очень широких пределах, начиная от токов, соизмеримых с входными токами усилителя 8, до токов, определяемых допустимой нагрузкой усилителя 1. Шунтирующее влияние входной цепи усилителя 8 можно снизить до пренебрежимо малого выбором операционного усилителя с полевыми транзисторами во входном каскаде. Например, при использовании операционного усилителя 544УД2А с входным током не более 0,1 нА (см. Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение. – М.: Радио и связь, 1989, с. 110-111) при погрешности тока, определяемой его зависимостью от напряжения на нагрузке, не более 0,1%, возможно формирование токов, начиная от 100 нА. При этом сопротивления резисторов 4-7 (R1-R4, R6) могут быть сравнительно малыми, обеспечивающими допустимые погрешности от протекания по ним входных токов усилителя 1, и имеющие малые собственные погрешности.

Усилитель 8 по отношению к напряжению U_Н является неинвертирующим усилителем с коэффициентом усиления K=R6/(R2+R4+R6). При отсутствии резистора 9 (R6=0) K=1. В соответствии с этим дополнительный выход 11 позволяет получить напряжение U_ВЫХ, пропорциональное падению напряжения на нагрузке 10. Благодаря малому выходному сопротивлению усилителя 8, охваченного отрицательной обратной связью, потребление тока с выхода 11 может быть значительно больше выходного тока I_ВЫХ.

Таким образом, предложенный преобразователь напряжения в ток позволяет использовать в схеме относительно низкоомные резисторы с минимальными погрешностями, обеспечивающими независимость выходного тока от напряжения на нагрузке, регулировать этот ток в очень широких пределах изменением сопротивления только одного резистора и формировать токи, начиная от десятков наноампер.

Формула изобретения

Преобразователь напряжение – ток, содержащий первый операционный усилитель с отрицательной обратной связью, охваченный также положительной обратной связью, содержащей три резистора, первый из которых включен между выходом операционного усилителя и выводом для подключения нагрузки, а второй и третий резисторы подключены к неинвертирующему входу упомянутого усилителя, отличающийся тем, что снабжен вторым операционным усилителем, неинвертирующий вход которого подключен к выводу для подключения нагрузки, а инвертирующий вход соединен с цепью отрицательной обратной связи второго операционного усилителя и третьим резистором.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.03.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 11-2003

Извещение опубликовано: 20.04.2003