Как спроектировать прецизионный токовый насос с Op

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение при любых условиях или пропускает заданный ток при любых условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, аппроксимировать теоретический источник напряжения значительно проще, чем аппроксимировать теоретический источник тока. Источниками напряжения могут быть простая батарея, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

С другой стороны, источники тока обычно требуют продуманной схемы и большего внимания к деталям работы.

Существуют различные способы создания источника тока. Прежде чем мы рассмотрим топологию с двумя операционными усилителями, давайте кратко рассмотрим некоторые другие варианты. Подробнее обо всех этих темах вы можете узнать, перейдя по соответствующим ссылкам.

Один интересный подход — использовать стабилизатор напряжения в качестве регулятора тока:

Другой вариант — схема на основе усилителя, которую я обсуждал в предыдущей статье о том, как спроектировать простой двунаправленный источник тока, управляемый напряжением. Схема на основе усилителя отдаленно напоминает топологию двух операционных усилителей, но один из усилителей представляет собой инструментальный усилитель, а не операционный усилитель.

Наконец, у нас есть токовый насос Хоуленда, который был тщательно проанализирован в статье AAC, написанной доктором Серджио Франко.

Я нашел эту схему, описываемую как «прецизионный токовый насос», в старой заметке к приложению от Analog Devices. Он производит двунаправленный выходной ток, который прямо пропорционален входному напряжению.

Вот оригинальная схема:

Есть несколько вещей, которые мне нравятся в этой схеме. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, операционные усилители имеют одинаковый номер детали. Это правда, что в этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в насосе Хауленда используется только один, но тот факт, что оба операционных усилителя могут представлять собой одну и ту же деталь, является преимуществом, поскольку вы можете использовать корпус микросхемы с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые изменения. Для второго операционного усилителя требуются дополнительные затраты или место на плате.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковое значение, и тогда коэффициент усиления напряжения/тока контролируется одним резистором (R1). Значение R2–R5 не является критическим, поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории, или к существующей спецификации. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут создавать источник тока более высокой точности.

В-четвертых, входное напряжение является дифференциальным. Это дает вам некоторую гибкость в подаче управляющего напряжения и позволяет использовать преимущества двунаправленного выходного тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, находящееся под землей.

Мы воспользуемся LTspice, чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях.

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция работала некорректно. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, поскольку у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделирует правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки. (Вы можете увидеть простой пример этого в светодиодном драйвере, управляемом напряжением, который я разработал для проекта датчика цвета.)

В токовой накачке с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 настроен как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и передает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источника напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое варьируется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к приложению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку AV = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем: