Конструирование двунаправленного источника тока для заземленной нагрузки всегда будет сопряжено с некоторыми сложностями. Чаще всего для этой функции используется усовершенствованный токовый насос Хауленда, показанный на Рисунке 1. Для насоса Хауленда требуются тщательно подобранные резисторы или резисторные сборки. В качестве альтернативы можно использовать прецизионные дифференциальные усилители, хотя для получения необходимых характеристик все же может потребоваться некоторая подстройка.
 |
|
| Рисунок 1. | Классическая улучшенная схема Хауленда используется в качестве двунаправленного источника тока для заземленных нагрузок. Для достижения высокой точности и хороших характеристик эта схема требует строгого подбора и согласования номиналов компонентов. |
Схема, показанная на Рисунке 2, которую в этой статье мы будем называть «Простой источник», выполняет ту же функцию с помощью лишь одного точного резистора. В первом абзаце было отмечено, что всегда возникают какие-то осложнения. В данном случае потребуется добавить изолированный двуполярный источник питания – недорогой и легко доступный.
Схема на Рисунке 2, представляет собой операционный усилитель с простым выходным буфером на MOSFET. (При желании можно использовать биполярный транзистор). Обратная связь берется с истоков MOSFET с заземленного резистора RSENSE. Вы заметите, что это начинает напоминать классическую комбинацию однонаправленного операционного усилителя и MOSFET, используемую для создания источника тока. Единственным усложнением является необходимость в плавающих источниках питания на стоках MOSFET, когда выход берется от средней точки источников питания. Точность коэффициента усиления в основном зависит только от токоизмерительного резистора, когда операционный усилитель работает в конфигурации с единичным усилением (коэффициент усиления можно увеличить, хотя к списку прецизионных компонентов придется добавить еще два резистора).
 |
|
| Рисунок 2. | Эта простая схема источника тока обеспечивает высокую точность с помощью единственного резистора за счет плавающих источников питания выходного каскада. Как покажет проверка на веб-сайте вашего любимого дистрибьютора, двухканальные изолированные DC/DC преобразователи легко доступны для разных уровней мощности. |
Наряду с преимуществом в точности, эта схема обеспечивает лучшую частотную характеристику при работе на индуктивные нагрузки, поскольку нагрузка не находится в контуре обратной связи, как в случае насоса Хауленда. Односторонняя (в основном) передаточная функция выходного MOSFET изолирует контур от нагрузки, по крайней мере, до тех пор, пока не будет превышен допустимый динамический диапазон. Для сравнения, улучшенная схема Хауленда может потребовать серьезной компенсации индуктивных нагрузок с сопутствующим уменьшением полосы пропускания.
Обратите внимание, что в упрощенной схеме на Рисунке 2 отсутствует смещение MOSFET для режима A/B. Это может не представлять проблемы для приложений постоянного тока или низкой частоты. Протестированная реальная схема, показанная на Рисунке 3, включает в себя умножитель напряжения затвор-исток, добавляющий MOSFET и пару резисторов смещения для работы в режиме A/B, что необходимо для устранения искажений типа «ступенька», поскольку схема будет использоваться для проверки переходных характеристик.
 |
|
| Рисунок 3. | Реальная схема, использованная при тестировании источника тока для заземленной нагрузки. 50-омные резисторы в истоках транзисторов Q1 и Q2 устраняют звон MOSFET при быстрых переходах. В эту схему включен транзистор Q3 умножителя напряжения затвор-исток, обеспечивающий смещение для работы в режиме A/B, необходимом при тестировании высокочастотных переходных характеристик. |
Результаты тестирования
Проверка схемы Хауленда на точность была бы несправедливой, поскольку ее точность пропорциональна длительности вложенных в нее усилий, в чем как раз и заключается смысл Простых источников. Достаточно сказать, что в конечном счете обеспечить высокую точность может любая схема, но Простой источник значительно упрощает эту задачу.
Результаты проверки точности представлены графиком ошибки выходного тока при использовании резистора RSENSE с допустимым отклонением сопротивления 0.1%. Все испытания заключались в оценке характеристик при выходном токе до ±10 мА. На Рисунке 4 показана зависимость ошибки выходного тока от входного напряжения.
 |
|
| Рисунок 4. | Выходная ошибка схемы на Рисунке 3 в диапазоне токов ±10 мА. |
Чтобы показать преимущество этой схемы при работе на индуктивную нагрузку, ее сравнили со схемой Хауленда; при этом обе схемы были нагружены дросселем индуктивностью 50 мкГн. Схема на Рисунке 5 приведена для того, чтобы показать, как Простой источник был переконфигурирован в источник тока Хауленда. В каждом случае выходной ток наблюдался на безындуктивном резисторе 1 Ом, включенном последовательно с дросселем 50 мкГн.
 |
|
| Рисунок 5. | Тестовые схемы для сравнения динамических характеристик Простого источника (вверху) и схемы Хауленда (внизу). Выходной сигнал наблюдался на резисторе RTEST. |
Для обеих схем нужны цепи компенсации, подключаемые параллельные дросселю, но по разным причинам. В случае Простого источника выходная емкость и индуктивность нагрузки требуют снабберной цепи для подавления звона. Схема Хауленда также склонна к звону, бóльшая часть которого обусловлена дросселем в цепи обратной связи. Параметры элементов компенсации были определены эмпирически при подаче на вход прямоугольных импульсов. В каждом случае следует начинать с резистора, параллельного дросселю, сопротивление которого уменьшают до тех пор, пока не сгладятся выбросы и звон. Затем подключают конденсатор и уменьшают его емкость до тех пор, пока выбросы и звон не начнут появляться снова.
 |
|
| Рисунок 6. | Прямоугольные импульсы тока ±10 мА на выходе источника Хауленда показывают, что 200 кГц фактически выходят за границы его частотной характеристики. Завал фронтов является следствием компенсации, необходимой для устранения выбросов и звона. |
Чтобы сравнение было содержательным, испытания проводились на максимально возможной частоте 200 кГц. Осциллограммы на Рисунках 6 и 7 показывают, что 200 кГц выходят за границы частотной характеристики схемы Хауленда.
 |
|
| Рисунок 7. | При частоте прямоугольных импульсов 200 кГц Простой источник демонстрирует достойные характеристики, поскольку индуктивная нагрузка не входит в контур обратной связи. Компенсация устраняет звон, обусловленный влиянием выходной емкости. |
Все может быть проще
В случае если схемы на Рисунках 2 и 3 сложнее, чем вам нужно, и вы готовы пожертвовать некоторыми характеристиками, можно использовать простейший из возможных подходов, показанный на Рисунке 8. Среди бросающихся в глаза очевидных отличий – то, что теперь выводы питания операционного усилителя участвуют в формировании выходного сигнала, и динамический диапазон ограничен минимальным напряжением питания усилителя. Собственный ток потребления протекает между шинами питания и при использовании КМОП операционных усилителей практически не влияет на точность выходного сигнала, но при использовании биполярных операционных усилителей можно ожидать погрешность в несколько процентов. Блокировка по питанию может быть проблемой, хотя можно использовать блокировочные конденсаторы, включаемые непосредственно между шинами. Автор в течение некоторого времени использовал эту схему в качестве токового адаптера на выходе анализатора цепей для измерения выходного импеданса операционных усилителей. Схема не тестировалась на большом количестве типов операционных усилителей. Хотя многие из них будут работать здесь нормально, найдутся операционные усилители, которые не подойдут для этой схемы.
 |
|
| Рисунок 8. | Простейшая возможная реализация токового выхода в этой схеме с более низким выходным сопротивлением и ограниченными выходными характеристиками. Кроме того, необходимо будет проверить работоспособность выбранного операционного усилителя в этой схеме, так как некоторые типы могут работать плохо из-за плавающих источников питания. (Если вы не склонны к авантюрам, сопротивление RSENSE должно быть больше 1 кОм). |
Предостережение по поводу моделирования этой схемы. Не все SPICE модели операционных усилителей правильно моделируют протекание тока нагрузки через выводы питания, что важно для моделирования этой схемы.
