На рис.1.2 приведена основная инвертирующая схема включения ОУ.

Рис.1.2. Основная инвертирующая схема включения ОУ

Выход ОУ соединен с инвертирующим входом сопротивлением обратной связи R ОС . Сигнал подается на инвертирующий вход через сопротивление R 1 . Исходя из свойств ОУ (бесконечный коэффициент усиления), делаем вывод, что при конечном напряжении на выходе разность потенциалов в трчках А и В равна нулю. Т.к. потенциал точки В равен нулю (соединение с землей), то и потенциал точки А тоже равен нулю. Этот факт дает основание считать точку А кажущейся землей, поскольку прямого соединения с землей эта точка не имеет.

Отсюда следует, что ток во входной цепи определяется только сопротивлением R 1 : i = u ВХ / R 1 . Из-за бесконечного входного сопротивления ОУ на вход усилителя ток не ответвляется и полностью протекает по сопротивлению ОС R ОС . Отсюда:
. Подставив сюда значение тока, получим:
. Следовательно, коэффициент усиления:

(1.1)

Входное сопротивление каскада равно R 1 .

1.1. Суммирующий усилитель

Наличие точки кажущейся земли позволяет строить при помощи ОУ суммирующие усилители (рис.1.3).

Рис.1.3. Суммирующий усилитель

Вследствие того, что потенциал в точке А равен нулю, входные токи не влияют друг на друга и определяются только параметрами входных цепей:

Эти токи суммируются в цепи обратной связи:
.

Подставим значения токов:
, отсюда:

(1.2)

Изменяя значения сопротивлений, можно задавать весовые коэффициенты, с которыми суммируются входные напряжения. В частности, при равенстве всех сопротивлений получаем чистую сумму входных напряжений.

1.4. Основная неинвертирующая схема включения оу

На рис.1.4. приведена основная неинвертирующая схема включения ОУ.

Рис.1.4. Основная неинвертирующая схема включения ОУ

Исходя из тех же предпосылок, что и в предыдущих случаях, проведем анализ работы данной схемы.

1)
.

3)
.

4) Приравнивая токи, получаем:
.

5) Отсюда окончательно получаем коэффициент усиления:

. (1.3)

Как видно из (1.3), коэффициент усиления неинвертирующего усиления не может быть меньше единицы.

1.5. Повторитель

Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель (рис.1.5).

Рис.1.5. Повторитель на ОУ

Коэффициент передачи такого каскада равен единице. Он обладает очень высоким входным и низким выходным сопротивлением. Такие свойства позволяют применять его в качестве буферного каскада, чтобы исключить влияние одной части большой схемы на другую.

1.6. Преобразователь тока в напряжение

Простейшим преобразователем ток-напряжение является, как известно, резистор. Ему, однако, присущ недостаток, заключающийся в том, что для подключаемого источника тока его входное сопротивление не равно нулю (напомним, что для источника тока нормальным является режим короткого замыкания, поскольку источник тока имеет большое выходное сопротивление, которое должно быть намного больше сопротивления нагрузки). Схема, приведенная на рис.1.6, свободна от указанного недостатка и обеспечивает точное преобразование тока в напряжение:

u 2 = −R  i 1 . (1.4)

Точка А имеет квазинулевой потенциал, поэтому входное сопротивление устройства равно нулю, а токi 1 протекает по резисторуR , обеспечивая выходное напряжение (1.4).

Рис.1.6. Преобразователь тока в напряжение

Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному напряжению и не зависеть от сопротивления нагрузки. В частности, при постоянном входном напряжении ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.

Простейшая схема стабилизатора тока, показанная на рис. 10.41, а, представляет собой инвертирующий усилитель, в котором нагрузка Rn включена в цепь отрицательной обратной связи ОУ. Ток в нагрузке будет равен Ui/Rl. Для уменьшения нагрузки на источник входного напряжения он подключается к неинвертирующему входу ОУ. Именно так и сделано в стабилизаторе тока на рис. 10.41, б, для которого ток в нагрузке равен (Ui/Rl)(l+Rl/R2)(l+R2/R4).

В стабилизаторах тока на рис. 10.41 нагрузка не заземлена, что не всегда удобно. С этой точки зрения предпочтительнее стабилизатор тока с заземленной нагрузкой (рис. 10.42). Ток в нагрузке Rn такого стабилизатора определяется формулой Ii=UiA/B, где A=Rl(R4+R5)R2 -R4; B=Rn+Rl R5(R3+R4). Условием независимости Ii от Rn является равенство R1(R4+R5)-R2-R3. В таком случае будем иметь Ii=Ui-R2/(Rl-R5).

Отметим, что если в стабилизаторе на рис. 10.42 подавать Ui через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ, а резистор R3 заземлить, то при выполнении условия R1(R4+R5)=R2-R3 ток в нагрузке только изменит знак.

Одним из многочисленных применений преобразователей являются преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН), применяемые в сочетании с резистив-ными датчиками. Для построения ПСН обычно включают преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки стабилизатора тока. Тогда падение напряжения на этом сопротивлении будет пропорционально его сопротивлению. На практике удобно использовать ПСН, имеющие малое выходное сопротивление. Этому требованию в наибольшей степени отвечает ПСН на основе стабилизатора тока, схема которого показана на рис. 10.41, а. Действительно, напряжение на выходе ОУ в этом стабилизаторе равно Ui-Rn/Rl. Следовательно, в качестве выходного напряжения ПСН можно использовать не падение напряжения на резисторе Rn, а выходное напряжение ОУ. При этом выходное сопротивление такого ПСН будет весьма низким, как и в любом усилителе, имеющем отрицательную обратную связь по напряжению.

Удобен для применения ПСН, выполненный на основе стабилизатора тока на рис. 10.42. Такой ПСН характеризуется не только малым выходным сопротивлением, но и возможностью заземления резистивного преобразователя. Если принять R4=0 и R1-R5=R2-R3, то выходное напряжение ОУ в этом стабилизаторе равно Uo=Ui-Rn(l+R2/Rl)/R3.

Дополнительным достоинством ПСН на стабилизаторе (рис. 10.42) является возможность скорректировать погрешность нелинейности прибора, обусловленную нелинейностью характеристики датчика. Если выбрать R1-R5>R2-R3, то зависимость Uo от Rn будет нелинейной - чувствительность будет падать с ростом Rn. Если же поменять знак неравенства, то, наоборот, чувствительность будет расти с ростом Rn. Следовательно, выбирая знак и величину разности R1-R5-R2-R3, можно получить характеристику преобразования сопротивления в напряжение с компенсацией нелинейности датчика.

Контрольные вопросы и задания

1. Какую функцию выполняют преобразователи напряжение-ток и сопротивление-напряжение?

2. Схема измерителя сопротивления (ПСН) на стабилизаторе тока по схеме рис. 10.41, а показана на рис. 10.43. Какими должны быть значения напряжения Ui и сопротивления R1, чтобы при измерении выходного напряжения Uo показания мультиметра совпадали с сопротивлением измеряемого резистора Rx с коэффициентом кратности 10-k где k - любое целое число, в том числе и ноль. Расчеты подтвердите моделированием.

3. Дополните схему преобразователя на рис. 10.42 необходимыми контрольно-измерительными приборами и проведите ее моделирование, выбрав номиналы резисторов с помощью приведенных выше формул.

Рис. 10.43. Схема измерителя сопротивления Rx

Большой собственный коэффициент усиления ОУ приводит к тому, что инвертирующий вход является виртуальной землей, поэтому протекающий через резистор R ОС ток равен току I ВХ. Следовательно, выходное напряжение определяется соотношением U ВЫХ = -R ОС I ВХ.

Показанная на рис. 4.3 схема хорошо подходит для измерения малых токов - от десятков миллиампер и менее, вплоть до долей пикоампера. Верхний предел тока ограничивается выходным током ОУ. Недостаток схемы состоит в том, что ее нельзя включать в произвольной точке контура с током, так как входной ток должен замыкаться на землю.

Коэффициент преобразования

где A V - коэффициент усиления ОУ и R ЭКВ - эквивалентное сопротивление между входом ОУ и землей, включающее в себя сопротивление источника тока и дифференциальное входное сопротивление ОУ.

Входное сопротивление:

Выходное напряжение смещения:

где U СМ.ВХ - входное напряжение смещения ОУ,

I СМ,ВХ - входной ток смещения ОУ.

Нижний предел измеряемого тока определяется входным напряжением смещения, входными токами ОУ и их дрейфами. Для того, чтобы свести к минимуму погрешности схемы, учтите следующие моменты.

1. Погрешности смещения.

При малых входных токах (менее 1 мкА) лучше использовать ОУ с полевыми входами, имеющие незначительные входные токи.

Нужно стремиться к тому, чтобы выполнялось условие R ЭКВ >> R ОС, так как иначе входное напряжение смещения будет дополнительно усиливаться.*

Погрешность, связанную с входными токами, можно уменьшить, включая дополнительный резистор, равный R ОС , между неинвертирующим входом и землей. При этом общее входное смещение будет равно:

U СМ.ВХ + R ОС ΔI СМ.ВХ,где ΔI СМ.ВХ - разность входных токов ОУ.

Для ограничения высокочастотных шумов дополнительного резистора и предотвращения самовозбуждения ОУ можно параллельно ему включить шунтирующий конденсатор (10 нФ - 100 нФ).

Соблюдайте аккуратность при работе с очень малыми токами, потому что значительные погрешности могут быть связаны с токами утеч­ки. Используйте охранное кольцо (рис. 4.4) для того, чтобы токи утечки замыкались на него, а не на вход схемы. Охранные кольца должны быть на обеих сторонах платы. Плату нужно тщательно очистить и изолировать для предотвращения поверхностной утечки. Наконец, для получения очень малых токов утечки (порядка пикоампер) при монтаже входных цепей можно использовать дополнительные стойки из фторопласта.

Чтобы уменьшить дрейф входных токов от температуры, следует ограничить тепло, выделяемое самим ОУ. Для этого лучше снизить напряжение питания до минимума. Кроме того, к выходу ОУ не стоит подключать низкоомную нагрузку (общее сопротивление на­грузки должно быть не менее 10 кОм).

При измерении малых токов регулировать смещение лучше в после­дующих каскадах схемы, или воспользоваться подходом, показан­ным на рис. 4.7, при котором не требуется слишком высокая чув­ствительность усилителя.

2. Погрешности коэффициента усиления.

ОУ и резистор обратной связи необходимо выбирать так, чтобы A V R ЭКВ >> R ОС, иначе могут возникнуть большие погрешности ко­эффициента усиления и нелинейность характеристики. Необходимо подобрать прецизионные резисторы с малым дрейфом. Лучше всего использовать высокостабильные резисторы на основе металлических или металлоокисных пленок. Лучшей конструкцией для высокоом-ных резисторов (более 1 ГОм) является стеклянный корпус, покры­тый силиконовым лаком для исключения влияния влажности. Не­которые резисторы имеют внутренний металлический защитный экран.

Чтобы не использовать резисторы слишком больших номиналов (у них низкая стабильность и они довольно дороги), можно использовать Т-образную обратную связь (рис. 4.5).

Такое соединение позволяет повысить коэффициент преобразования без использования высокоомных резисторов, но это возможно только при достаточном запасе собственного коэффициента усиления ОУ. Отметим, что монтаж схемы должен быть выполнен так, чтобы предотвратить шунтирование Т-звена сопротивлением утечки, т.е. обеспечить хорошую изоляцию точек А и В. Т-образное соединение имеет серьезный недостаток, заключающийся в усилении напряжения смещения ОУ А1в (R2 + R1)/R1раз, что иногда может ограничить его применение.

3. Частотная характеристика.

Конечная емкость источника сигнала Си может привести к неустойчивости схемы, особенно при использовании длинных входных кабелей. Этот конденсатор на высоких частотах вносит фазовое за­паздывание в петле обратной связи ОУ. Проблема решается включением конденсатора небольшой емкости C ОС параллельно резистору R ОС , графическая иллюстрация этого способа показана на рис. 4.6.

Выходной шум схемы складывается из трех основных компонентов: шум резистора R ОС , входное шумовое напряжение ОУ А1и входной шумовой ток ОУ А1.

Для ОУ с большим коэффициентом усиления при R ОС > 1 МОм преобладает шум, генерируемый резистором R ОС .

Входное шумовое напряжение ОУ умножается на коэффициент усиления для шума (рис. 4.6). Как правило, этот коэффициент возрастает с ростом частоты, что ведет к появлению значительного высокочастотного шума.

Входной шумовой ток ОУ А1умножается на величину R ОС , и в таком виде появляется на входе.

5. Помехи.

Преобразователи тока в напряжение с большим усилением являются высокочувствительными, высокоомными схемами. Поэтому для защиты от помех их необходимо заключать в экранирующий корпус. Важное значение имеет хорошая развязка по питанию. Наконец, эти схемы могут быть очень чувствительными к механическим вибрациям.

На рис. 4.7 показана схема усилителя сигнала фотодиода. Для регу­лировки смещения используется потенциометр.

В измерительных схемах сигналы постоянного тока часто используются в качестве аналоговых представлений физических измерений, таких как температура, давление, поток, вес и движение. Чаще всего сигналам постоянного тока отдается предпочтение по сравнению с сигналами постоянного напряжения , поскольку сигналы тока точно равны по величине во всем контуре схемы, несущей ток от источника (измерительного устройства) до нагрузки (индикатор, устройство записи или контроллер), тогда как сигналы напряжения в аналогичной схеме могут изменяться от одного конца к другому из-за резистивных потерь проводников. Кроме того, приборы для измерения тока обычно имеют низкие импедансы (в том время как приборы для измерения напряжения имеют высокие импедансы), что дает инструментам измерения тока бо́льшую устойчивость к электрическим помехам.

Чтобы использовать ток как аналоговое представление физической величины, мы должны иметь какой-то способ генерации точной величины тока в сигнальной схеме. Но как мы создадим точный токовый сигнал, когда не можем знать сопротивление контура? Ответ заключается в использовании усилителя, предназначенного для поддержания тока на заданном значении, прикладывая столько много или столько мало напряжения, сколько необходимо для цепи нагрузки, чтобы поддерживать это заданное значение тока. Такой усилитель выполняет функцию источника тока . Операционный усилитель с отрицательной обратной связью является идеальным кандидатом на такую задачу:

Предполагается, что входное напряжение этой схемы исходит от какого-либо устройства физического преобразователя / усилительного устройства, откалиброванного для получения 1 вольта для 0% при физическом измерении и 5 вольт для 100% при физическом измерении. Стандартный диапазон аналогового токового сигнала составляет от 4 мА до 20 мА, что означает от 0% до 100% диапазона измерений, соответственно. При входе 5 вольт резистор (точный) 250 Ом будет иметь приложенное к нему напряжение 5 вольт, что приведет к току 20 мА в схеме большого контура (с R нагр). Не имеет значения, чему равно сопротивление R нагр, и чему равно сопротивление проводов в этом большом контуре, если операционный усилитель имеет напряжение питания, достаточно высокое для выдачи напряжения, которое необходимо для получения 20 мА, протекающих через R нагр. Резистор 250 Ом устанавливает соотношение между входным напряжением и выходным током, в этом случае создавая равнозначность 1-5 В на входе / 4-20 мА на выходе. Если бы мы преобразовывали входной сигнал 1-5 вольт и выходной сигнал 10-50 мА (более старый, устаревший измерительный стандарт промышленности), вместо этого мы использовали бы точный резистор 100 Ом.

Другим названием этой схемы является «усилитель крутизны ». В электронике крутизна представляет собой математический коэффициент, равный изменению тока, деленному на изменение напряжения (ΔI/ΔV), и измеряется в сименсах (См), в тех же единицах, что используются для выражения проводимости (математически, величина, обратная сопротивлению: ток/напряжение). В данной схеме коэффициент крутизны фиксируется величиной резистора 250 Ом, что дает линейную связь выходной_ток/входное_напряжение.

Резюме

• В промышленности токовые сигналы постоянного тока часто используются вместо сигналов постоянного напряжения как аналоговые представления физических величин. Ток в последовательной цепи абсолютно одинаков во всех точках этой схемы независимо от сопротивления проводов, тогда как напряжение в аналогичной схеме может изменяться от одного конца к другому из-за сопротивления проводов, что делает токовые сигналы более точными для передачи сигнала от «передающего» прибора до «принимающего» прибора.
• Сигналы напряжения относительно легко получить непосредственно на устройствах преобразователей, тогда как точные токовые сигналы нет. Для «преобразования» сигнала напряжения в токовый сигнал можно довольно просто использовать операционные усилители. В этом режиме операционный усилитель буде выводить любое напряжение, необходимое для поддержания тока через сигнальную цепь в правильном значении.

Один из самых простых способов измерения тока в электрической цепи - это измерение падения напряжения на резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. Но при прохождении тока через этот резистор, на нем выделяется бесполезная мощность в виде тепла, поэтому оно выбирается минимально возможной величины, что в свою очередь влечет за собой последующее усиление сигнала. Следует отметить, что приведенные ниже схемы позволяют контролировать не только постоянный, но и импульсный ток, правда, с соответствующими искажениями, определяемыми полосой пропускания усилительных элементов.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки.

Схема измерения тока нагрузки в отрицательном полюсе приведена на рисунке 1.

Эта схема и часть информации заимствована из журнала «Компоненты и технологии» №10 за 2006г. Михаил Пушкарев [email protected]
Преимущества:
низкое входное синфазное напряжение;
входной и выходной сигнал имеют общую «землю»;
простота реализации с одним источником питания.
Недостатки:
нагрузка не имеет непосредственной связи с «землей»;
отсутствует возможность коммутации нагрузки ключом в отрицательном полюсе;
возможность выхода из строя измерительной схемы при коротком замыкании в нагрузке.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки не представляет сложности. Для этой цели подходит много ОУ, предназначенных для работы с однополярным питанием. Схема измерения тока с применением операционного уси¬лителя приведена на рис. 1. Выбор конкретного типа усилителя определяется требуемой точностью, на которую в основном влияет смещение нуля усилителя, его температурный дрейф и погрешность установки усиления, и необходимым быстродействием схемы. В начале шкалы неизбежна значительная погрешность преобразования, вызванная ненулевым значением минимального выходного напряжения усилителя, что для большинства практических применений несущественно. Для исключения этого недостатка требуется двухполярное питание усилителя.

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

Достоинства:
нагрузка заземлена;
обнаруживается короткое замыкание в нагрузке.
Недостатки:
высокое синфазное входное напряжение (зачастую очень высокое);
необходимость смещения выходного сигнала до уровня, приемлемого для последующей обработки в системе (привязка к «земле»).
Рассмотрим схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки с использованием операционных усилителей.

В схеме на рис. 2 можно применить любой из подходящих по допустимому напряжению питания операционный усилитель, предназначенный для работы с однополярным питанием и максимальным входным синфазным напряжением, достигающим напряжения питания, например AD8603. Максимальное напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя.

Но есть ОУ, которые способны работать при входном синфазном напряжении, значительно превышающем напряжение питания. В схеме с применением ОУ LT1637, изображенной на рис. 3, напряжение питания нагрузки может достигать 44 В при напряжении питания ОУ, равном 3 В. Для измерения тока в положительном полюсе нагрузки с весьма малой погрешностью подходят такие инструментальные усилители, как LTC2053, LTC6800 от Linear Technology, INA337 от Texas Instruments. Для измерения тока в положительном полюсе есть и специализированные микросхемы, например — INA138 и INA168.

INA138 и INA168

— высоковольтные, униполярные мониторы тока. Широкий диапазон входных напряжений, низкий потребляемый ток и малые габариты — SOT23, позволяют использовать эту микросхему во многих схемах. Напряжение источника питания от 2.7 В до 36 В для INA138 и от 2.7 В до 60 В для INA168. Входной ток — не более 25мкA, что позволяет производить измерение падения напряжения на шунте с минимальной ошибкой. Микросхемы являются преобразователями ток — напряжение с коэффициентом преобразования от1 до 100 и более. INA138 и INA168 в корпусах SOT23-5 имеют диапазон рабочих температур -40°C к +125°C.
Типовая схема включения взята из документации на эти микросхемы и показана на рисунке 4.

OPA454

— новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления.

Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями.
Технические особенности OPA454:
Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В)
(предельно до 120 В)
Большой максимальный выходной ток > ±50 мА
Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С)
Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM)
Данные на микросхему приведены в «Новости электроники» №7 за 2008г. Сергей Пичугин

Усилитель сигнала токового шунта на основной шине питания.

В радиолюбительской практике для схем, параметры которых не столь жесткие, подойдут дешевые сдвоенные ОУ LM358, допускающие работу с входными напряжениями до 32В. На рисунке 5 показана одна из многих типовых схем включения микросхемы LM358 в качестве монитора тока нагрузки. Кстати не во всех «даташитах» имеются схемы ее включения. По всей вероятности эта схема явилась прототипом схемы, приведенной в журнале «Радио» И. Нечаевым и о которой я упоминал в статье «Индикатор предельного тока ».
Приведенные схемы очень удобно применять в самодельных БП для контроля, телеметрии и измерения тока нагрузки, для построения схем защиты от коротких замыканий. Датчик тока в этих схемах может иметь очень маленькое сопротивление и отпадает необходимость подгонки этого резистора, как это делается в случае обычного амперметра. Например, напряжение на резисторе R3, в схеме на рисунке 5 равно: Vo = R3∙R1∙IL / R2 т.е. Vo = 1000∙0,1∙1A / 100 = 1В. Одному амперу тока, протекающему через датчик, соответствует один вольт падения напряжения на резисторе R3. Величина этого соотношения зависит от величины всех резисторов входящих в схему преобразователя. Отсюда следует, что сделав резистор R2 подстроечным, можно спокойно им компенсировать разброс сопротивления резистора R1. Это относится и к схемам, показанным на рисунках 2 и 3. В схеме, представленной на рис. 4, можно изменять сопротивление нагрузочного резистора RL. Для уменьшения провала выходного напряжения блока питания, сопротивление датчика тока – резистор R1 в схеме на рис.5 вообще лучше взять равным 0,01 Ом, изменив при этом номинал резистора R2 на 10 Ом или увеличив номинал резистора R3 до 10кОм.