Высокоточный плавающий источник тока

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2018

D Ramírez, S Casans, C Reig, AE Navarro, and J Sánchez

EDN

Универсальные преобразователи полного сопротивления (generalized impedance converter – GIC) хорошо известны теоретикам и разработчикам активных фильтров, но в меньшей степени с ними знакомы специалисты широкого профиля. GIC содержит однопортовую активную схему, обычно состоящую из недорогих операционных усилителей (ОУ), резисторов и конденсаторов. GIC преобразует емкостное сопротивление в индуктивное и, таким образом, может заменить индуктивность в фильтре, описываемом передаточной функцией RLC. Кроме того, гибкость формулы, характеризующей входной импеданс GIC, позволяет создавать виртуальные импедансы, не существующие в виде физических компонентов, например, частотно зависимые резисторы [1]. Наиболее широкое применение GIC, схема которого впервые была представлена разработчиками более 40 лет назад, нашел в схемах переменного тока и в активных фильтрах.

Рисунок 1.	Классический универсальный преобразователь полного сопротивления. Схема подключения питания для простоты опущена.

На Рисунке 1 изображена классическая схема GIC, входной импеданс Z_IN которой зависит от характера импедансов Z₁ … Z₅ и описывается следующей формулой:

Например, если Z₁, Z₂, Z₃ и Z₅ образованы резисторами R₁, R₂, R₃ и R₅, а Z₄ – конденсатором C₄, то входной импеданс Z_IN будет представлять собой виртуальную индуктивность величиной L_IN:

На Рисунке 2 показана схема GIC в конфигурации для постоянного тока. Рассматривая схему в среде только постоянного тока, можно представить себе новые приложения. К примеру, импедансы Z₁ … Z₅ можно заменить простыми сопротивлениями R₁ … R₅, а вместо источника переменного напряжения подключить к входному порту стабильный и точный опорный источник постоянного напряжения. Простой анализ схемы с замещением IC₁ и IC₂ идеальными операционными усилителями показывает, что входное опорное напряжение V_REF повторяется на резисторе R₅, и, как показывает следующее уравнение, через R₅ течет постоянный ток I_O.

Рисунок 2.	При замене всех реактивных импедансов GIC резисторами получается источник постоянного тока.

Однако неинвертирующий вход ОУ IC₂ отбирает небольшое количество тока из точки соединения R₄ и R₅, и, таким образом, ток I_O протекает также и через R₄. Потребляемый от источника опорного напряжения ток можно свести к минимуму выбором больших сопротивлений резисторов R₁, R₂ и R₃. Например, отдавая в R₄ ток от 2 мА до 10 мА, схема может забирать от опорного источника лишь десятые доли микроампера. Использование для V_REF и R₅ точных компонентов с малым дрейфом обеспечивает высокую стабильность тока I_O. Области применения схемы включают цепи возбуждения измерительных мостов Уитстона и датчиков на основе платиновых элементов [2]. Кроме того, в [3] предлагается заменить R₄ последовательной цепочкой резистивных датчиков.

Ссылки