Зміст
Введення
1. Найпростіші перетворювачі напруги в струм
2. ПНТ на основі диференціальних каскадів
3. Підвищення лінійності ПНТ
4. Дослідження ПНТ
Бібліографічний список
Введення
Перетворювачі напруга-струм (ПНТ) також є важливим елементом в схемотехніці аналогових електронних пристроїв. На їх основі можуть бути виконані різні прецизійні операційні підсилювачі, в яких ПНТ використовується як вхідний диференціальний каскад; ПНТ органічно входять у структури АПН і можуть використовуватися в різних вимірювальних схемах.
1. Найпростіші перетворювачі напруги в струм
Принцип перетворення напруги в струм може бути проілюстрований за допомогою найпростішого підсилювального каскаду на одиночному транзисторі (рис. 1). (Відзначимо, що резистор R1 виконує функцію підключення колектора до шини харчування; він достатньо низькоомний і служить як датчик струму при вимірюванні струму колектора.)
Рис. 1. Найпростіший перетворювач напруга-струм на одиночному транзисторі
Припустимо, що напруга зсуву UC транзистору забезпечує джерело сигналу UС. Тоді для струму емітера IЕ транзистора може бути записано наступне рівняння:
. (1)
Оцінювати якість перетворення вхідної напруги в вихідний струм (струм колектора IK транзистора) найбільш просто, знаходячи крутизну прямого перетворення S:
за умови, що a В»1.
Знаходити похідну від вираження (1) в явному вигляді - досить громіздка процедура, тому можна знайти похідну dUC/dIk, а потім взяти зворотну величину:
,
тобто
. (2)
Вираз (2) показує, що якість перетворення вхідної напруги в вихідний струм істотним чином залежить від диференціального опору емітера транзистора, яке, в свою чергу, залежить від струму емітера, а отже, від вхідного напруги. Таким чином, найпростіший ПНТ володіє двома істотними недоліками:
- нелінійністю крутизни перетворення;
- відсутність можливості здійснювати перетворення двополярного сигналів.
2. ПНТ на основі диференціальних каскадів
Забезпечити перетворення двополярного сигналів можна за допомогою ПНТ на основі диференційного каскаду з послідовної негативним зворотним зв'язком по струму в емітерний ланцюга (рис. 2а).
а) б)
Рис. 2. Перетворювач напруга-струм а) і його прохідна характеристика б)
Для схеми ПНТ (рис. 2а), скориставшись другим правилом Кірхгофа, можна записати наступне рівняння для вузлових потенціалів:
, (3)
де jT - температурний потенціал;
IХ - прирощення струму через резистор R1 при впливі вхідної напруги UX.
З урахуванням того, що різниця напруг база-емітер можна представити як:
,
прохідна характеристика такого ланки (рис. 2б) може бути представлена ​​наступним чином:
. (4)
Очевидно, що нелінійна складова в прохідній характеристиці визначається першим доданком у виразі (4).
Досить зручним способом оцінки похибки такого перетворювача, обумовленої нелінійністю, може служити знаходження відхилення реальної функції IХ/I0 (крива 2 на рис. 2б) від її лінійного наближення (крива 1 на рис. 1б). Відзначимо, що крива 2 (рис. 2б) являє собою різницю вихідних струмів колекторів транзисторів диференціальної пари.
Відхилення від лінійності можна представити таким чином:
, (5)
де SX = dIX/dUX - крутизна прямої передачі, що визначається з вираження (4);
dIX - абсолютне відхилення струму;
S0 = I0/U0 - крутизна прямої передачі при лінійному наближенні;
I0 - максимальний вихідний струм перетворювача при подачі на вхід максимальної напруги U0.
Відзначимо, що SX (0) = S0, тому:
; (6)
, (7)
де rE = jT/I0 - диференціальне вихідний опір транзисторів VT1, VT2 з боку емітера при початковому струмі I0; X = IX/I0.
Підставляючи (6) і (7) в (8), отримуємо:
, (8)
оскільки при g <<1 можна покласти IX/I0 В»UX/U0.
Формула (5) справедлива при відносно малих погрішності перетворення - менше 2-3%. У цьому випадку при моделюванні відносне відхилення від лінійності можна представити як:
перетворювач ток напруга
, (8а)
де SМАКС - максимальне значення крутизни на ділянці В± U0.
З (8) випливає, що прийнятних рівнів похибки (менше 0,1%) можна досягти тільки при виконанні умов: R1/2rE> 500 і відносному зміні струму X <0,75. Для ПНТ, що працюють при живлять напругах В± 15 В, ці умови можуть бути легко реалізовані. Для низьковольтних схем (при їх живленні від напруг менше В± 5 В) виконання цих умов приведе до різкого зниження крутизни перетворення вхідної напруги в вихідний струм, підвищенню рівня шумів і т.д.
Основна похибка лінійності перетворення розглянутого ПНТ обумовлена ​​істотною режимної залежністю rE від струму емітера.
3. Підвищення лінійності ПНТ
Яким же чином можна зменшити вплив диференціального опору емітера на роботу подібного ПНТ?
Одним із способів зниження впливу диференціального опору емітерів транзисторів служить введення негативного зворотного зв'язку.
Спрощена принципова схема ПНТ з операційними підсилювачами в ланцюзі зворотного зв'язку наведена на малюнку 3.
Рис. 3. Спрощена схема ПНТ з операційними підсилювачами
У цій схемотехнической конфігурації підвищення лінійності досягається за рахунок того, що різниця напруг між входами операційного підсилювача має досить мале значення, яке практично не змінюється, значення диференціального опору емітера ділиться в петлеве посилення разів, що можна описати виразом:
, (9)
де К - коефіцієнт підсилення по напрузі операційного підсилювача.
З (9) можна отримати вираз для крутизни перетворення вхідної напруги в струм:
, (10)
тобто вплив нелінійної складової послаблюється в петлеве посилення разів.
З точки зору лінійності, така схема має найкращу лінійністю перетворення напруги в струм (при достатньо великому коефіцієнті посилення операційного підсилювача), практично не вимагає настройки, проте досить складна і володіє смугою пропускання, що визначається операційним підсилювачем.
На малюнку 4 наведено досить простий варіант реалізації такої схеми при інтегральному виконанні, однак, як видно з малюнка, він вельми громіздкий, причому на малюнку відсутні реальні джерела струму.
Рис. 4. Схема ПНТ з лінеаризацією крутизни перетворення за рахунок ООС
У зв'язку з вищевикладеним схему ПНТ (рис. 4) доцільно використовувати тільки при інтегральному виконанні. Крім того, слід пам'ятати, що частотні властивості такого перетворювача будуть не дуже хорошими у порівнянні з ПНТ на одиночному диференціальному каскаді.
Інший спосіб усунення нелінійності перетворення демонструється схемою ПНТ, представленої на малюнку 5. Цей спосіб компенсації нелінійності отримав досить широке поширення [19, 20]. Суть його полягає в наступному: тим чи іншим способом формується компенсуючий струм, що послабляє вплив зміни rE диференціального каскаду при зміні струму емітера.
Працює схема пеньки (рис. 5) наступним чином. Транзистори VT1 ​​і VT6, створюючі диференціальний каскад, за допомогою резистора R1 здійснюють перетворення вхідної напруги в вихідний струм. Транзистори VT2 і VT5 включені за схемою із загальною базою і передають струми колекторів транзисторів VT1 і VT6 на вихід з коефіцієнтом передачі О± В»1. Одночасно з цим при зміні струмів емітерів транзисторів VT2 і VT5 міняються і їх напруги база-емітер. У цьому випадку змінюється і різниця напруг база-емітер транзисторів VT2 і VT5, причому в залежності від знаку приросту вхідного напруги UX різниця напруг база-емітер транзисторів VT2 і VT5 також змінює знак. Допоміжн...
