Усилители тока

УТ предназначены для преобразования малых токов в напряжение. Простейший способ преобразовать ток в напряжение – это пропустить этот ток через резистор с известным сопротивлением. Однако при этом для увеличения чувствительности при изменении очень малых токов приходится существенно увеличивать сопротивление резистора. Это в свою очередь приводит:

во-первых:к увеличению нежелательного обратного воздействия измерений цепь на цепь, в которой проводится измерение;

во-вторых:требует повышения входного сопротивления последующих каскадов;

в-третьих: увеличивает инерционность цепи, вызываемую действием паразитных емкостей, в частности, емкости соединительной линии.

Усилитель тока на основе ОУ, позволяет в значительной степени избавиться от перечисленных недостатков. В простейшем случае УТ представляет собой инвертирующий усилитель без входного резистора.

Источник входного тока показан в виде цепи, состоящей из идеального источника тока I_вхс внутренним сопротивлениемR_i. Как известно из курса ТОЭ такой источник может быть замене последовательной цепью из источника ЭДС (напряжения)и внутреннего сопротивленияR_i. Используя формулу для коэффициента передачи И-усилителя, получим:

где k- коэффициент усиления ОУ;

- коэффициент передачи цепи ОС;

при получаем

Входное сопротивление УТ весьма мало и может быть определено как R_вх И-усилителя уменьшенное на сопротивление резистора R₁.

,

где r_вх – входное сопротивление собственно ОУ.

Вывод:

1. Вследствие малости входного сопротивления УТ практически не оказывает обратного влияния на цепь, в которой измеряется ток. Кроме того устраняется влияние емкости соединительной линии, т.к. эта емкость включена параллельно низкому входному сопротивлению УТ и поэтому обусловленная ею постоянная времени очень мала. Выходное сопротивление УТ мало как и у всякого усилителя с ОС по напряжению.

2. Если к УТ предъявляется требование высокого быстродействия, то можно рекомендовать включить конденсатор между выходом и Н-входом ОУ с целью уменьщения шумов на выходе.

3. Для увеличения коэффициента усиления УТ необходимо увеличивать сопротивление R₂. Чтобы избежать слишком больших сопротивлений целесообразно использовать в УТ Т-образную цепь ООС. В этом случае коэффициент усиления УТ будет:

.

Примером источников тока могут служить фотоэлементы: фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители. Их выходное сопротивление велико, поэтому чем меньше сопротивление нагрузки, тем в большей степени они работают как источники тока. Использование фотоэлементов в режиме источника тока улучшает линейность световой характеристики, обеспечивает более высокое быстродействие, повышает стабильность параметров во времени и при эксплуатации.

Для повышения разрешающей способности преобразователя ток-напряжение, необходимо, чтобы сигнальный ток превышал значение входного тока операционного усилителя. Поэтому при измерении малых токов, необходимо применять ОУ с наименьшими входными токами (с полевыми транзисторами на входе).

Рассмотрим схему преобразователя ток-напряжение в паре с фотощдиодом.

Потециал И-входа ОУ поддерживается равным нулю (квазинуль сигнала). Это очень хорошо, т.к. фотодиод может создавать потенциал, равный всего нескольким десятым долям вольта. При R₂ = 1 Мом, такой преобразователь обеспечивает преобразование тока в напряжение в отношении 1 Вольт на 1 мкА входного тока. Притаком включении повышается быстродействие фотодиода, поскольку исключается влияние его собственной емкости за счет того, что он работает на очень низкоомную нагрузку . Сигнальный ток фотодиода пропорционален освещенности Е и интегральной чувствительности фотодиода S:

Тогда выходное напряжение схемы будет равно:

Важным преимуществом данной схемы является то, что при изменении сопротивления резистора R₂ (ОС) от сотен Ом до нескольких Мом можно измерять освещенности, отличающиеся в сотни тысяч раз.

Погрешность преобразователя также определяется параметрами ОУ. Она обусловлена напряжением смещения, входным током и их дрейфами. Коэффициент усиления этого преобразователя для напряжения смещения и шумовых напряжений определяется выражением:

(т.к. )

где R_ф – внутреннее сопротивление фотодиода.

Выходное напряжение ОУ за счет его погрешностей будет равно:

Для уменьшения шумового напряжения резистор ОС шунтируем емкостью. Для уменьшения погрешности от входных к Н-входу подсоединяют резистор R=R₂.

Такую же схему можно использовать для фототранзисторов и фотоумножителей (оба элемента потребляют ток от +U_ип под действием света).

В такой схеме ток протекает при наличии источника питания +U_ип под действием света.