Фотовольтаический режим

• нулевое смещение;

• нет темнового тока;

• нелинейный;

• низкий уровень шума (джонсона);

• прецизионные схемы.

Режим фотодиода

• обратное смещение;

• есть темновой ток;.

• линейный;

• повышенный шум (джонсона + дробовой);

• скоростные схемы.

В фотовольтаическом режиме фотодиод может быть представлен источником тока с внутренним сопротивлением в виде параллельной цепочки R_DС_D.

Расчетная схема фотодиода в фотовольтаическом режиме

В этом случае ОУ работает в режиме преобразователя тока в напряжение. При медленных изменениях светового потока влиянием емкости С_D можно пренебречь. Поскольку на инвертирующем входе ОУ поддерживается практически нулевой потенциал (виртуальная земля), ток через сопротивление R_D равен нулю. Если считать, что входной ток ОУ близок к нулю, то весь фототок будет протекать через резистор R₁ и

При изменении освещенности от 0.003 лк (ясная безлунная ночь) до 3000 лк (прямой солнечный свет) фототок диода изменяется в пределах 30 пА …30 мкА. Это соответствует динамическому диапазону 120 дБ. Для того чтобы влияние входного тока ОУ было несущественным, он должен быть менее 3 пА. Если требуется измерение освещенности в широких пределах, то сопротивление резистора обратной связи должно быть не слишком большим (в пределах 10 МОм). Тогда на нижней границе диапазона освещенности выходное напряжение составит

что требует применения ОУ с напряжением смещения нуля не более 100 мкВ.

Поскольку фотодиод обладает заметной емкостью, в цепи обратной связи ОУ образуются инерционные звенья со значительными постоянными времени. Например, при включении SD-020-12-001 совместно с резистором R₁ = 100 МОм постоянная времени R₁C_D > составит 4 мс. Это заметно увеличивает фазовое запаздывание в петле обратной связи ОУ в области средних и высоких частот и ведет к неустойчивости схемы. Для компенсации следует включить параллельно резистору R₁ корректирующий конденсатор С₁.

Схемы линейного преобразования сигналов.

При построении линейных электрических схем кроме пассивных элементов используются идеализированные активные элементы в виде управляемых источников тока и напряжения. Кроме того, применяются идеализированные преобразующие схемы, например преобразователи отрицательного сопротивления. Ниже рассмотрены основные принципы их реализации.

Источники напряжения, управляемые током.

Для точных измерений слабых токов, в цифроаналоговых преобразователях и в некоторых других устройствах требуется получение напряжения, пропорционального току. При этом во многих случаях необходимо, чтобы источник напряжения, управляемого током, называемый также преобразователем ток-напряжение, имел по возможности минимальные входное и выходное сопротивления.

С хема источника напряжения, управляемого током, приведена на рисунке.

Схема, изображенная на рисунке, пригодна для преобразования в напряжение относительно слабых токов, втекающих в общую точку. Для измерения больших токов в линии, находящейся под относительно высоким потенциалом, может быть использована схема, приведенная на втором рисунке.

Источник напряжения, управляемый током и схема для измерения тока

Ток, протекающий в нагрузку, создает напряжение V_IN на шунте R_Ш, который играет здесь роль датчика тока. Полагаем ОУ идеальным. Тогда через инвертирующий вход усилителя ток не течет и, поскольку напряжение между дифференциальными входами усилителя равно нулю, напряжение V_IN приложено к левому резистору R. Ток через резистор R и коллектор транзистора VT

Пренебрегая током базы транзистора, найдем выходное напряжение схемы

Именно по этой схеме выполнен преобразователь ток—напряжение INA168 (границы микросхемы показаны штриховой линией). Он допускает синфазное напряжение на входах до 60 В и коэффициент усиления напряжения, падающего на шунте, до 100. Ток, потребляемый микросхемой, всего 50 мкА. Для иллюстрации приведем несколько примеров микросхем этого класса, различных по характеристикам и внутренней структуре. Так, микросхема LT1787 построена симметрично, т. к. имеет в своем составе усилитель с дифференциальными входами и выходами и нагрузку в виде токового зеркала. Допустимое синфазное напряжение также 60 В. Динамический диапазон — 12 разрядов (72 дБ). Микросхема МАХ471 имеет встроенный шунтовой резистор, рассчитанный на ток до 3 А. В микросхеме МАХ4372 такого резистора нет, но зато ее погрешность преобразования не превышает 0.18%.

Источники тока, управляемые напряжением.

Источники тока, управляемые напряжением (преобразователи напряжение—ток), предназначены для обеспечения нагрузки током, который не зависит от выходного напряжения ОУ и регулируется только входным напряжением схемы. Такие источники применяются в измерительных схемах, например, при измерении сопротивления, в электроприводе, если требуется стабилизировать вращающий момент электродвигателя и др.

Источники тока с незаземленной нагрузкой.

В инвертирующем и неинвертирующем усилителях по резистору отрицательной обратной связи протекает ток I₂ = V₁/R₁. Jба этих усилителя можно использовать в качестве источников тока, в которых вместо резистора обратной связи включена нагрузка.

Варианты источников тока с нагрузкой в цепи обратной связи

Поскольку дифференциальный коэффициент усиления ОУ К_V имеет конечное значение, входное дифференциальное напряжение V_Д остается отличным от нуля. Для определения выходного сопротивления источника тока а) запишем:

Отсюда получим следующее соотношение:

Таким образом, выходное сопротивление источника тока будет равно

Оно пропорционально дифференциальному коэффициенту усиления ОУ. Выходное сопротивление второй схемы б) может быть рассчитано аналогично.

Рассмотренные источники тока обладают весьма существенным недостатком. Ни к одному из зажимов нагрузки этих источников тока не может быть приложен постоянный потенциал (в том числе и нулевой), поскольку в этом случае либо выход, либо инвертирующий вход операционного усилителя будет закорочен на землю. В приведенных далее схемах этот недостаток устранен.

Источники тока с заземленной нагрузкой.

Схемы источников тока этого типа приведены на рисунках.

Источник тока, управляемый напряжением, для заземленной нагрузки (схема Хоуленда):

а — типовая конфигурация, б—с буферным повторителем

На рисунке а) изображена так называемая схема Хоуленда в типовой конфигурации. Принцип ее действия состоит в том, что выходной ток измеряется по падению напряжения на резисторе R₅. Выходное напряжение ОУ устанавливается таким, что падение напряжения на резисторе R₅ оказывается пропорциональным величине входного напряжения.

Выходной ток источника будет иметь вид:

Выполняя тонкую подстройку, например посредством регулировки R₃, можно добиться весьма точного выполнения условия практически бесконечного выходного сопротивления источника тока на низких частотах при реальных характеристиках операционного усилителя.

Можно усовершенствовать схему Хоуленда, включив между выходом схемы и резистором R₄ буферный повторитель б). При этом условие независимости выходного тока от напряжения на нагрузке заметно упростится

и появится возможность регулировать коэффициент передачи схемы изменением сопротивления резистора R₅. Связь между входным напряжением и выходным током выражается формулой

Недостаток схем, приведенных на этих рисунках, состоит в том, что полная балансировка источника тока невозможна.

Этого недостатка лишена схема, приведенная на следующем рисунке.

Источник тока на цепочке ОУ в инвертирующем включении

Здесь входной резистор присоединен к виртуальному нулю. Другое достоинство этой схемы состоит в отсутствии синфазного сигнала.

Выражение для выходного тока имеет вид

Инверторы сопротивления.

Иногда возникает необходимость использования отрицательного сопротивления, например, для компенсации потерь и повышения добротности колебательных контуров. Для обычного двухполюсника направление тока и напряжения совпадают и его сопротивление положительное: R = V/I. Если же в двухполюснике направления протекающего тока и приложенного напряжения не совпадают, отношение V/I будет отрицательным. Говорят, что такой двухполюсник обладает отрицательным сопротивлением. Физически это означает, что этот двухполюсник не рассеивает, а отдает энергию во внешнюю цепь. Поэтому отрицательные сопротивления могут быть получены только с применением активных схем, которые называют инверторами сопротивления.

Схема инвертора сопротивления

Выходное напряжение идеального ОУ определяется как

Входной ток усилителя равен

При выводе этих соотношений предполагалось, что схема находится в устойчивом состоянии. Однако, поскольку операционный усилитель охвачен одновременно положительной и отрицательной обратными связями, следует принять меры, чтобы выполнялись условия устойчивости. Физический смысл условий устойчивости для схемы инвертора сопротивления с идеальным ОУ при резистивных обратных связях заключается в том, что глубина положительной обратной связи должна быть меньше, чем отрицательной. Для этой схемы означает, что сопротивление источника входного сигнала R_S должно быть меньше R₂.

Примером практического применения инвертора сопротивления является схема неинвертирующего интегратора.

Неинвертирующий интегратор:

а — эквивалентная схема, б — схема неинвертирующего интегратора на ОУ

На а) приведена эквивалентная схема интегратора в виде интегрирующей RC-цепочки, содержащей резистор с отрицательным сопротивлением. Роль резистора с отрицательным сопротивлением выполняет инвертор сопротивления б).

Гираторы.

Для физического или полунатурного моделирования может понадобиться катушка с индуктивностью в несколько сотен Генри. Это очень громоздкое и дорогое сооружение. В этом случае может помочь гиратор.

Гиратор:

а — эквивалентный четырехполюсник, б — схема гиратора на двух ОУ

Гиратором называют четырехполюсник, полное входное сопротивление которого (Z_ВХ) является обратным по отношению к полному сопротивлению нагрузки (Z_Н), т. е. имеет место соотношение Z_ВХ Z_Н = к², где к некоторая постоянная. В частности, гиратор может преобразовать индуктивное сопротивление в емкостное, и наоборот.

Так, например, используя высококачественный конденсатор умеренной емкости и операционные усилители, можно собрать схему, которая по отношению к остальной части цепи будет проявлять себя как катушка большой индуктивности (так называемая электронная индуктивность).

Эквивалентная схема четырехполюсника приведена на а). Уравнения идеального гиратора в системе Y-параметров имеют вид:

Отсюда следует, что входной ток гиратора пропорционален его выходному напряжению, и наоборот.

Гиратор можно реализовать на двух инверторах сопротивления б). Считая ОУ идеальными, запишем уравнения по первому закону Кирхгофа для их входов

что соответствует уравнениям гиратора.

Простая схема эквивалента индуктивности на основе неинвертирующего повторителя, приведена на следующем рисунке.

Схема гиратора некритичная к параметрам элементов.

Схема моделирует катушку с индуктивностью L=CR₂R₁ и сопротивлением постоянному току, равным R₂.