Преобразователи напряжение-ток (стр. 3 из 4)
Ещё одним перспективным направлением построения высоколинейных ПНТ являются мостовые преобразователи (рис. 11).
Рис. 11. Схема мостового ПНТ
Схема мостового преобразователя напряжение-ток изначально имеет меньшую погрешность преобразования в сравнении с базовой схемой на основе дифференциального каскада, так как в мостовой схеме осуществляется взаимная компенсация выходного сопротивления транзисторов, являющегося основным источником погрешности. Отметим, что резисторы R4 и R5 включены в схему только как датчики тока.
Можно показать, что ток, протекающий через резистор R2, определяется как:
, (21)где
– соответственно объёмные сопротивления баз транзисторов n-p-n и p-n-p типов.Если в первом приближении пренебречь объёмным сопротивлением баз транзисторов, то в выражении (21) исчезает квадратичная (нелинейная) составляющая тока через резистор R2. То есть выходное сопротивление со стороны эмиттеров транзисторов VT1 и VT8 (VT4 и VT6) в первом приближении постоянно и не зависит от уровня входного сигнала.
Существенным недостатком мостового преобразователя является то, что его крутизна в два раза ниже в сравнении с дифференциальным каскадом. В самом деле, приращение тока IX через резистор R2 возникает за счёт того, что ток эмиттера транзистора VT1 получает приращение +IX/2, а ток эмиттера транзистора VT8 получает приращение -IX/2. По аналогии: только с противоположными знаками происходят приращения токов в транзисторах VT4 и VT6 соответственно.
Устранить этот недостаток можно за счёт введения повторителей тока на транзисторах VT13, VT12 и VT14, VT11, выходы которых включены перекрёстно к выходам ПНТ и добавляют в выходной ток составляющую, пропорциональную IX.
Использование резистора R16 придаёт нелинейные свойства повторителю тока, что позволяет дополнительно компенсировать нелинейность преобразователя при одновременном повышении крутизны преобразования в заданное число раз.
Кроме того, динамический диапазон мостовых ПНТ по входному сигналу теоретически может достигать диапазона ±ЕП, что принципиально недостижимо в преобразователях напряжение-ток на основе дифференциального каскада. Это особенно важно при проектировании низковольтных прецизионных схем.
На рисунке 12 представлены результаты моделирования схемы мостового ПНТ.
Рис. 12. Графики, иллюстрирующие отклонение от линейности мостового и базового ПНТ на основе дифференциального каскада
Моделирование проведено в сравнении с базовой схемой на основе дифференциального каскада при одинаковой крутизне преобразования и близких статических токах выходных транзисторов той и другой схемы. Погрешность крутизны преобразования для базовой схемы достигает 20 %, а для схемы мостового преобразователя – менее 0,01 % (нижний график рис. 12).
4. Исследование ПНТ
«Соберите» упрощённую схему ПНТ, приведённую на рисунке 2а. Упрощение этой схемы обусловлено применением идеальных источников тока, что существенно не повлияет на изучение принципа её работы. Обратите внимание: в схему ПНТ в коллекторные цепи необходимо включить одинаковые резисторы сопротивлением 1…10 Ом. Вторые выводы этих резисторов подключаются к положительной шине питания. Резисторы будут выполнять роль датчиков тока и на работу схемы, с точки зрения оценки её линейности, не повлияют.
Параметрический синтез схемы можно провести, воспользовавшись следующими соображениями. Выбрав напряжение питания ±5 В, для удобства оценки крутизны преобразования резистор R1 можно выбрать 1 кОм. Тогда при условии, что изменение входного напряжения будет составлять ±1 В, ток источников опорного тока целесообразно выбрать 2 мА. В этом случае коэффициент использования тока Х » 0,5.
В качестве моделей компонентов можно выбрать модели любых интегральных транзисторов, имеющихся в библиотеке моделирующей программы и способных работать при напряжении коллектор-база более 10 В.
Можно рекомендовать следующий порядок изучения и моделирования схемы.
1. Подключите вспомогательные резисторы сопротивлением в несколько килоом между входами ПНТ и общей шиной. Эти резисторы необходимы для создания пути протекания базовых токов транзисторов дифференциальной пары. Функциональный элемент Е1 представляет собой источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН). (Его параметр GANE оставьте по умолчанию равным единице.) Он необходим для того, чтобы создать дифференциальное напряжение между входами ПНТ. В результате у Вас должна получиться схема, представленная на рисунке 13.
Рис. 13. Схема ПНТ, предназначенная для моделирования
В режиме .DC задайте вариацию источника V1 в пределах ±1 В. После выполнения моделирования через меню Trace\Add Trace наберитевкоманднойстроке
(1-d(I(R23)- I(R22))/ MAX(d(I(R23)- I(R22))))*100.
Смысл этого выражения в следующем: находятся разность выходных токов, протекающих через резисторы R22 и R23; производная от этой разности, которая нормируется по отношению к максимальному значению производной; отклонение нормированной производной от максимального значения (1) и умножается на 100 %. Такой способ оценки линейности полностью соответствует выражению (5а), полученному аналитическим путём.
Должен получиться график, подобный тому, что представлен на рисунке 14. Отметим, что максимальное отклонение от линейности у вас может получиться иным (несколько больше или меньше) в зависимости от используемых моделей транзисторов, но характер графика будет подобен приведённому на рисунке 14.
Рис. 14. График, иллюстрирующий отклонение от линейности ПНТ рисунка 2а
2. «Соберите» схему ПНТ на основе операционных усилителей (рис. 4). Для сопоставительного моделирования с базовой схемой ПНТ на основе дифференциального каскада в этом же файле представьте схему ПНТ рисунка 2а. У вас должна получиться схема, приведённая на рисунке 15. Поскольку операционные усилители допускают питание от ±15 В, входное напряжение для такой схемы может достигать и ±10 В, если сопротивление резистора R1 и токи источников токов выбраны соответственно. Естественно, если сопротивление резистора R1 выбрать 10 кОм, линейность ПНТ с ОУ будет ещё выше.
а) б)
Рис. 15. Схема для сопоставительного моделирования ПНТ с операционными усилителями в цепи обратной связи а) и базового ПНТ б)
Но для объективного сравнения выберем токи источников токов и преобразующие сопротивления, как и в предыдущем случае, 2 мА и 1 кОм. Результаты сравнительного моделирования схем ПНТ рисунка 15 приведены на рисунке 16.
Рис. 16. Зависимость нормированной крутизны схемы ПНТ рисунка 15а (кривая □) и базовой схемы (б) (кривая ◊)
На рисунке 16 результаты моделирования представлены в иной форме, потому что отклонение от линейности в схеме ПНТ рисунка 15а) будут столь малы (примерно 9,5·10-4 %), что даже в достаточно мощных современных компьютерах возникает проблема вычисления производных. Это приводит к появлению так называемого «цифрового шума», что делает график малоинформативным. В то же время применение курсора на графике показывает, что отклонение нормированного значения крутизны от максимального в схеме ПНТ с ОУ составляет 9,5·10-6, что в процентном отношении соответствует 9,5·10-4 %. При этом в базовой схеме ПНТ отклонение от линейности равно 0,76 %. То есть схема ПНТ с ОУ даёт выигрыш перед базовой схемой примерно в 800 раз.
3. По аналогии с предыдущими случаями проведите сопоставительное моделирование схем ПНТ рисунков 7 и 8, задавая токи и выбирая сопротивления резисторов из тех же соображений, что и ранее.
4. Проведите сопоставительное моделирование мостовой схемы ПНТ (рис. 11), установив значения опорных токов в мостовой схеме 1…2 мА, в базовой схеме – 2 мА.
4.1. Вначале постройте графики крутизны преобразования при закороченных на шину отрицательного напряжения питания баз транзисторов VT13 и VT11. В этом случае повторители тока на транзисторах VT13, VT122 и VT11, VT14 исключаются из схемы.
Постройте графики при изменении входного сигнала в диапазоне ±1 В, затем в диапазоне ±2 В.
Сравните численное значение крутизны преобразования мостовой и базовой схем.
4.2. Сравните отклонение крутизны преобразования от линейного для мостовой и базовой схем при изменении входного сигнала в диапазоне ±1 В, затем в диапазоне ±2 В. Объясните получившиеся результаты.