Как промоделировать работу двунаправленного источника тока, управляемого напряжением

Добавлено 22 ноября 2020 в 23:53

Рассмотрим моделирование интересного источника тока, созданного на основе операционного усилителя и инструментального усилителя.

В данной статье исследуются работа и динамические характеристики источника тока, построенного на базе операционного усилителя и инструментального усилителя.

В предыдущей статье я представил интересную схему источника тока, которую нашел в старой заметке к применению Linear Tech. Как вы можете видеть на схеме ниже, инструментальный усилитель в петле обратной связи операционного усилителя заставляет выход операционного усилителя генерировать ток нагрузки, который не зависит от сопротивления нагрузки.

Рисунок 1 – Схема источника тока, программируемого напряжением. взята из технического описания LT1102
Рисунок 1 – Схема источника тока, управляемого напряжением

Данная схема обеспечивает высокую точность и хорошие динамические характеристики, а также обеспечивает приятную простую взаимосвязь между управляющим входным напряжением и генерируемым током нагрузки.

Прежде чем перейти к работе и динамическим характеристикам схемы, рассмотрим, как выглядит эта схема в LTspice.

Связанная информация

Для получения дополнительной справочной информации, ознакомьтесь со следующими ресурсами:

Реализация в LTspice

Моя версия этой схемы в LTspice показана ниже.

Рисунок 2 Схема источника тока в LTspice
Рисунок 2 – Схема источника тока в LTspice
  • К счастью, LTspice включает макромодели тех компонентов, которые использовались в оригинальной схеме. Если вы хотите включить в эту схему другие усилители, я настоятельно рекомендую вам выбирать компоненты с имеющимися макромоделями. Моя интуиция подсказывает мне, что это такая схема, которую сначала следует смоделировать перед сборкой.
  • Как видите, выводы 2 и 7 LT1102 в настоящее время отключены. Это настраивает компонент для фиксированного коэффициента усиления 100, и результирующая передаточная функция будет Iнагр = Vупр/(R1×100). Если вы соедините вывод 2 с землей, а вывод 7 с выводом 8, коэффициент усиления LT1102 будет 10, и в этом случае передаточная функция станет Iнагр = Vупр/(R1×10).
  • Управляющее напряжение, показанное на схеме выше, представляет собой линейно изменяющееся напряжение от –5 В до +5 В за период 100 мс. Это управляющее напряжение будет использоваться для демонстрации низкочастотных характеристик схемы.

Низкочастотный режим

На графике ниже показано, как источник тока реагирует на медленно меняющееся входное напряжение. Как и ожидалось, ток нагрузки линейно увеличивается от –5 мА до +5 мА.

Рисунок 3 Зависимость выходного тока от входного напряжения
Рисунок 3 – Зависимость выходного тока от входного напряжения

Мы можем оценить низкочастотную точность схемы, применив математическую передаточную функцию к управляющему напряжению, а затем построив график разницы между теоретическим выходным током и смоделированным выходным током.

Рисунок 4 Разница между теоретическим выходным током и смоделированным выходным током
Рисунок 4 – Разница между теоретическим выходным током и смоделированным выходным током

Таким образом, мы наблюдаем ошибку примерно 45 мкВ с незначительным изменением в диапазоне входного напряжения от –5 В до +5 В. Мне это кажется неплохо, учитывая различные неидеальности, которые присутствуют в двух усилителях (хотя я не знаю, как именно эти неидеальности включены в макромодели).

Однако эта ошибка предполагает, что R1 составляет ровно 10 Ом. Поскольку R1 (вместе с коэффициентом усиления инструментального усилителя) определяет коэффициент пропорциональности между управляющим напряжением и выходным током, вы должны использовать резистор с очень низким допуском, если хотите, чтобы реальная передаточная функция повторяла теоретическую передаточную функцию. С другой стороны, если это одноразовый проект, прототип или что-то подобное, вы можете просто измерить сопротивление R1 и затем сгенерировать управляющее напряжение на основе измеренного значения сопротивления вместо идеального значения.

Я провел еще несколько моделирований с разными значениями сопротивления нагрузки, и общая тенденция состоит в том, что по мере увеличения сопротивления нагрузки ошибка уменьшается. Например, ошибка при Rнагр = 600 Ом составляет примерно 19 мкВ.

Динамические характеристики

Данный источник тока основан на отрицательной обратной связи, которая по своей сути включает некоторую задержку, связанную с установлением режима, а усилители имеют ограничения по полосе пропускания и скорости нарастания. Следовательно, не следует ожидать, что эта схема будет переводить быстрые изменения входного напряжения в столь же быстрые изменения выходного тока.

Однако, учитывая все обстоятельства, выход имеет хорошую способность воспроизводить резкие изменения управляющего напряжения, и также важно отметить, что эти резкие изменения не создают возбуждения схемы.

Чтобы смоделировать динамический отклик, я изменил источник напряжения на импульсный, который изменяется от 0 В до 5 В с временем нарастания/спада 1 мкс. Ниже показан входной сигнал вместе с результирующим сигналом выходного тока.

Рисунок 5 Динамические характеристики при Rнагр = 600 Ом
Рисунок 5 – Динамические характеристики при Rнагр = 600 Ом

В примечании к применению Linear Tech динамический отклик этой схемы описывается как «хорошо контролируемый», и я согласен. Выходной ток увеличивается и уменьшается равномерно, а крутизна 0,65 мА/мкс не вызывает претензий. Нет «звона» на переднем или заднем фронте, а амплитуда выбросов очень мала.

Одна интересная деталь, которую я заметил, показана на следующем графике. После спада выходному току требуется (относительно) много времени, чтобы вернуться к ожидаемому значению 0 мА.

Рисунок 6 Поведение при восстановлении при C = 0,05 мкФ
Рисунок 6 – Поведение при восстановлении при C = 0,05 мкФ

Вы можете сократить это время восстановления, уменьшив емкость конденсатора, но это приведет к менее «управляемой» переходной характеристике:

Рисунок 7 Поведение при восстановлении при C = 0,005 мкФ
Рисунок 7 – Поведение при восстановлении при C = 0,005 мкФ

Заключение

С помощью LTspice мы собрали некоторую полезную информацию о характеристиках «источника тока Джима Уильямса» (как объяснялось в предыдущей статье, это не официальное название, но оно более привлекательно, чем название, используемое в приложении к применинию – «Программируемый напряжением, источник тока с опорной точкой на земле», ориг. «Voltage Programmable, Ground Referred Current Source»).

Было бы интересно посмотреть, как эта схема работает с более «современными» усилителями. Если вы проводите моделирование или стендовое тестирование с отличающейся реализацией, не стесняйтесь делиться своими мыслями и опытом в комментариях ниже.

Теги

LTspiceИнструментальный усилительИсточник питанияИсточник токаМоделированиеОУ (операционный усилитель)

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.