Схема виртуального стабилитрона упрощает подключение высоковольтных цепей

Этой конструкции оптического коммутатора требуется напряжения более 70 В на катоде двустороннего оптического датчика положения. В схеме используются быстродействующие трансимпедансные усилители, «плавающие» относительно напряжения 70 В. Две схемы «виртуального стабилитрона» понижают уровень высоковольтных сигналов для последующей обработки в каскаде привязанного к земле дифференциального усилителя (Рисунок 1). При указанных номиналах компонентов на схеме падает ровно 65.58 В, независимо от ошибок, обусловленных напряжениями смещения операционного усилителя и допусков резисторов (Рисунок 2).

Рисунок 1.	Схемы «виртуального стабилитрона» упрощают высоковольтный интерфейс в этой системе определения положения. (I/U – преобразователь ток/напряжение).

Рисунок 2.	Схема виртуального стабилитрона обеспечивает регулируемое плавающее напряжение между входом и выходом.

Функция схемы виртуального стабилитрона заключается в обеспечении регулируемого плавающего падения постоянного напряжения между входом и выходом. Величина падения зависит от соотношения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ и значения опорного напряжения. При номинальном напряжении 70 В схема потребляет по входу постоянный ток 3.65 мА. Усилитель THS3001 обеспечивает втекающий или вытекающий ток плюс, по мере необходимости, любой дополнительный ток, регулируя выходное напряжение до тех пор, пока напряжения на двух его входах не станут равными. Это равенство наступает, когда

где V_REF – выходное напряжение микросхемы IC₂. Диапазон регулирования выходного напряжения ограничивается напряжениями шин питания и максимальным размахом выходных напряжений операционного усилителя, а также падением напряжения на резисторе R₃. Конденсатор C₁ шунтирует резистор R₁. Это шунтирование нейтрализует влияние емкости на неинвертирующем входе на сужение полосы пропускания и значительно снижает выходной шум. Без C₁ собственный шум операционного усилителя увеличивался бы в (1+R₁/R₂) раз. Резистор R₄ защищает неинвертирующий вход усилителя IC₁, ограничивая броски тока, создаваемые C₁ при включении и выключении питания. Аналогично R₃ и сопротивление нагрузки выхода R_LOAD защищают инвертирующий вход, ограничивая любые броски тока в конденсаторе C₂. Резистор R₃ необходим для обеспечения устойчивости петли обратной связи операционного усилителя. Включение этого резистора является стандартной процедурой для операционных усилителей с обратной связью по току, таких как THS3001. При использовании операционного усилителя с обратной связью по напряжению R₃ можно исключить. Полоса пропускания чрезвычайно высока. На Рисунке 3 показан импульсный отклик схемы виртуального стабилитрона в масштабе 100 нс на деление. (Синий цвет – это вход, а красный – выход).

Рисунок 3.	Переходная характеристика схемы на Рисунке 2 очень быстрая.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LT1021
2. Datasheet Texas Instruments THS3001
3. Datasheet ON Semiconductor 1N5240B