ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16

Источники тока на операционных усилителей

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение работы источника тока на ОУ.

ОБОРУДОВАНИЕ

Персональный компьютер IBM PC на базе процессоров Intel Pentium (и выше). Программа моделирования, основанная на использовании SPICE моделей.

ВВЕДЕНИЕ

Идеальный источник тока – это “черный ящик”, имеющий два вывода и поддерживающий постоянный ток во внешней цепи независимо от величины сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Для того чтобы выполнять свои функции, он должен уметь поддерживать любое нужное напряжение между своими выводами. Реальные источники тока имеют ограниченный диапазон, в котором может изменяться создаваемое ими напряжение (он называется рабочим диапазоном выходного напряжения или просто диапазоном), и, кроме того, выходной ток источника нельзя считать абсолютно постоянным. Источник тока “предпочитает “ нагрузку в виде замкнутой цепи, а нагрузку в виде разомкнутой цепи “недолюбливает”.

Источники тока на операционных усилителях.

На рис.1 изображена схема, которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока, без сдвига напряжения U_БЭ, характерного для транзисторного источника тока. Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение U_ВХ под действием которого через нагрузку протекает ток I = U_BХ.R. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена).

Рис.1

С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей» а нагрузку заземлить.

Источники тока для заземленных нагрузок.

С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и надежный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли (рис.2). В этой схеме обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное U_СС — U_ВХ, которое в свою очередь порождает эмитторный ток (а, следовательно, и выходной ток), равный I_Э = (U_СС — U_BХ)/R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении U_БЭ и его изменениях, связанных с изменениями температуры, I_К, U_КЭ и т.п. Несовершенство этого источника тока (не будем принимать во внимание ошибки ОУ: I_СМ, U_СДВ) проявляется лишь в том, что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения U_КЭ (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток - небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.

Рис.2

В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания U_СС; иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания U_СС, и все будет в порядке, если напряжение U_BХ является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности. Этого недостатка лишена схема, в которой аналогичный первый источник тока с транзистором п-р-п-типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно U_СС, для оконечного источника тока. Операционные усилители и транзисторы недороги, поэтому запомните такой совет: не раздумывая, включайте в схему дополнительные компоненты, если они позволяют улучшить ее работу и упрощают разработку.

На рис.3 представлен интересный вариант схемы источника тока на основе ОУ и транзистора. У него нет ошибки связанной с базовым током транзистора.

Рис. 3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Собрать схемы показание на рис.1,2,3.

При малых токах (токах коллектора до 200мА) можно использовать транзисторы npn типа: BC547, BC550, MJE350 и pnp типа: BC557, BC560B, MJE340.

При больших токах (порядка несколько ампер) используют транзисторы npn типа: 2N3055, 2N4063 и pnp типа: MJE4919, MJE4923, 2N4919, 2N5980, 2N6021, 2N6026.

2. Для каждой схемы померить динамический диапазон напряжения и внутреннее сопротивление.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чему равно напряжение источника при разомкнутой цепи?

2. Чем определяется внутреннее сопротивление источника тока?

3. Чем определяется сила тока короткого замыкания?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-2, М.:Мир,1983.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-3, М.:Мир,1993.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники. // Л.:Энергоатомиздат,1989.

4. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем. // М.: Высшая школа, 1979.

5. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. / Томпкинс У., Уэбстр Дж. - М.:Мир,1992.

6. Кар Дж. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры. // М.:Мир,1986.

7. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. // М.:Мир,1985.

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. // М.:Мир,1982.

9. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. // М.:Мир,1985.

10. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. // М.:Мир,1991.

11. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. // Т.1-2, М:Энергоатомиздат,1991.

12. Пейтон Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. // М.:БИНОМ, 1994.

13. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. // М.: Гелиос АРВ, 2002.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список элементов:

Описание	Название элемента	Название библиотеки
резистор	R	analog.slb
Транзисторы	NPN PNP	PWRBJT.slb EBIPOLAR.slb
операционный усилитель		opamp.slb
источник напряжения	Vsrс	sourse.slb
Источник синусоидального сигнала	Vsin	Sourse.slb
“земля”	AGND	port.slb
соединители	bubble	port.slb

5