Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока, часть 1
Вы можете значительно увеличить выходной ток операционного усилителя (ОУ), добавив в схему чуть более, чем один биполярный транзистор.
Вспомогательная информация
Нужна ли нам схема с буферизацией тока?
Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.
Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.
К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.
Всего один биполярный транзистор
Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:
А вот соответствующая схема LTspice:
Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.
Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.
В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.
Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):
На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.
Добавление усиления
Эта базовая схема не ограничена конфигурацией с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1. Как и в случае небуферизованного операционного усилителя, вы можете вставить резисторы в петлю обратной связи, чтобы увеличить общий коэффициент усиления схемы от входного напряжения до напряжения нагрузки. Вот версия схемы с коэффициентом усиления более единицы:
А вот новая схема LTspice, за которой следует график с входным напряжением VIN, выходным напряжением VOUT и напряжением, приложенным к базе биполярного транзистора.
Просто, но без «защиты от дурака»
При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:
- Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
- Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если Vвых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В - 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
- Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как hFE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с hFE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
- Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, вам необходимо напряжение нагрузки в диапазоне от 0 до 4 В. Подходит ли вам напряжение питания 5 В? Возможно, нет: напряжение базы может доходить до 4,9 В; и если размах выходного сигнала операционного усилителя ограничен положительной шиной минус 0,8 В, у вас будут проблемы.
- Биполярный транзистор начинает входить в режим насыщения, когда напряжение базы превышает напряжение коллектора примерно на 0,5 В, а поскольку напряжение базы примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора биполярного транзистора (которое в этой схеме такое же, как напряжение питания) должно быть как минимум на (0,9 В – 0,5 В) = 0,4 В выше, чем максимально необходимое напряжение нагрузки. (Эти числа приблизительны и будут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение биполярного транзистора приведет к выравниванию напряжения нагрузки, прежде чем оно достигнет напряжения питания транзистора.
Заключение
Думаю, что мы достаточно подробно рассмотрели схему буферизации тока операционного усилителя. В следующей статье мы рассмотрим варианты этой схемы, которые делают ее совместимой с более широким спектром приложений.