ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Полезная модель касается схемы операционного усилителя с использованием в выходном каскаде полевого транзистора и нестандартного типа обратной связи. Подобное оригинальное решение может быть использовано в датчиках температуры, тока, напряжения и давления, работающих в шлейфах типа «токовая петля», а также для построения источников тока.
В настоящее время в конструировании подобных приборов применяются микросхемы XTR115 и AD420, которые производят и реализуют фирмы «BURR - BROWN» и «ANALOG DEVISES» соответственно.
На рисунке приложения №1 приведена схема XTR115.
В основе схемы использовано классическое схемное решение построения каскада стоковым выходом.
Операционный усилитель А1 используется для усиления сигнала обратной связи, выделенного на резисторе R2 (приложение 1). В усилителе реализована схема с отрицательной обратной связью по постоянному току. Характеристики схемы обеспечиваются за счет точной подгонки ее элементов в процессе изготовления.
В схеме XTR115 (приложение 1) используется нижний (по схеме) вывод резистора обратной связи R2 для получения сигнала «отрицательной» полярности. На резисторах R1 и Rin происходит суммирование токов (входного и сигнала обратной связи). Операционный усилитель «следит» за потенциалом в точке соединения Rin и R1. Очевидно, что напряжение ошибки (или дрейфа нуля), приведенное к входу операционного усилителя, будет передаваться на выход схемы в виде токовой ошибки. Эта ошибка, при всех достоинствах схемы, зависит от температуры корпуса микросхемы и меняется в течение времени эксплуатации устройства. В формуле расчета выходного тока, приведенной на схеме приложения 1, фирма-изготовитель не указала небольшую добавку, которую будет вносить в выходной сигнал ток через последовательную цепь Rin-R1. Этот ток не протекает через измерительный резистор R2 и приводит к некоторой
нелинейности схемы, в большинстве случаев, по-видимому, находящейся в пределах класса точности изделия.
Еще один параметр - низкочастотный шум на выходе схемы можно, в данном контексте, оставить без рассмотрения.
Для большинства датчиков широкого применения вполне достаточно точности и качества XTR115, однако при использовании XTR в схемах, отличающихся от типовой схемы, обнаруживаются существенные недостатки.
В приложении 2 приведена типовая, рекомендованная производителем, схема подключения.
Для многих датчиков оказывается недостаточным преобразовать парафазный сигнал в синфазный при помощи одного внешнего операционного усилителя. Как правило, приходится усиливать достаточно небольшой сигнал, получаемый от датчика, включенного по мостовой схеме. Это приводит к тому, что на вход схемы выходного каскада поступает дополнительный сигнал ошибки, зависящий от температурного и временного дрейфа «нуля» дифференциального и последующих усилителей.
Применение схем с автокорректировкой напряжения дрейфа «нуля» приводит к существенному удорожанию схемы и увеличению составляющих низкочастотного шума в выходном сигнале.
Упомянутые выше проблемы свойственны не только для конкретных типов микросхем, но и для всего семейства усилителей постоянного тока.
Прототипом предлагаемого технического решения можно считать схему, приведенную на рис. 4.12., стр. 188 из книги П.Хоровиц, У.Хилл «Искусство схемотехники», М: «Мир», 1998 г., изд. 5-ое, пер. с анг., (приложение 3).которая аналогична конечному каскаду схемы XTR 115 (приложение 1).
Операционный усилитель А1 используется для усиления сигнала обратной связи, выделенного на резисторе R1 (приложение 3). В усилителе реализована схема с отрицательной обратной связью по постоянному току, которой свойственны все указанные выше недостатки схемы XTR115.
В предлагаемом техническом решении указанные выше недостатки существенно уменьшены не путем изменения или доработки существующих схемных решений, а использованием принципиально другого типа обратной связи. По существу, это импульсная квазипериодическая обратная связь (далее -ИКОС).
Введение в устройство нового типа обратной связи позволило решить задачу повышения качественных показателей устройства за счет снижения
низкочастотного шума в выходном сигнале и снижения его зависимости от температуры собственно устройства, а также уменьшить себестоимость устройства.
Ф
Ф
Для решения поставленной задачи в схеме операционного усилителя с обратной связью на полевом транзисторе, содержащем операционный усилитель, выход которого соединен с затвором полевого транзистора, сток соединен с выходной клеммой, а исток соединен с резистором нагрузки и цепью обратной связи с минусовым входом операционного усилителя, между выходом операционного усилителя и затвором полевого транзистора включен РС -фильтр.
Кроме того, резистор нагрузки Rn может быть выполнен составным, из параллельно включенных резисторов с положительным и отрицательным техническими коэффициентами сопротивлений.
При таком построении схемы сигнал на выходе операционного усилителя периодически изменяется от своего минимального до максимального значения, а формирование рабочей точки происходит на фильтре, который одновременно подавляет и собственный шум усилителя. Возможный дрейф «нуля» и других характеристик практически не влияет на характеристики схемы.
Предлагаемое решение поясняется рисунками, на которых показаны:
фиг.1 - схема операционного усилителя с ИКОС;
фиг.2 - пример использования схемы с ИКОС в датчике.
ф
ф
Структурная схема предлагаемого операционного усилителя с обратной связью ИКОС показана на фиг.1. Она содержит операционный усилитель 1, выход которого соединен через фильтр РС с затвором (управляющим электродом) 2 полевого транзистора, сток 3 которого соединен с выходом, а исток 4 с входом операционного усилителя. На входе полевого транзистора включен резистор Rn.
Принцип работы классических схем обратной связи заключается в том, что следящий активный элемент «старается» удержать параметры сигнала в окрестности рабочей точки, при этом, чем ближе к рабочей точке, тем большее значение приобретают собственные, хаотически изменяющиеся, параметры активного элемента. Происходит как-бы взвешивание управляющего воздействия и собственных шумов. На этом пути можно только совершенствовать (а значит увеличивать стоимость) активного элемента (в нашем случае - операционного усилителя).
При использовании ИКОС сигнал на выходе операционного усилителя периодически изменяется от своего минимального до максимального значения, а формирование рабочей точки происходит на фильтре, который одновременно подавляет и собственный шум усилителя. Возможный дрейф «нуля» и других характеристик практически не влияет на характеристики схемы.
Ток на выходе схемы (обозначен Ur),будет функцией напряжения на входе (Вх) и сопротивления Rn.
Iвых=Uвх/Rn
При этом в схеме отсутствуют чувствительные к температуре элементы. Исключение составляет Rn, которое для прецизионных схем необходимо делать составным, соединяя параллельно резисторы с положительным и отрицательным термическими коэффициентами сопротивлений. Это замечание актуально для классов точности 0,01% и выше, где, как правило, речь не идет о применении микросхем типа XTR.)
В реальном изделии схема несколько сложнее показана на фиг.2, где показана структурная схема выходного каскада датчика.
ф
ф
Принцип работы обратной связи в схеме на фиг.2 тот же - вывести операционный усилитель 1 в режим генератора колебаний и отфильтровать эти колебания на фильтре РС. Величины резисторов делителя R1 и R2 порядка 100 кОм, что позволяет уменьшить нелинейность, обусловленную током утечки через эту цепь, на порядок, по сравнению с XTR115. Соотношение величин резисторов R1, R2, Rn позволяют получить необходимый коэффициент преобразования схемы и, при необходимости, корректировать его в широких пределах.
Резистор Rd предназначен для корректировки коэффициента преобразования в небольших пределах, компенсируя технологический разброс величин резисторов Rn, R1 и R2 для конкретной партии датчиков.
ф
Для датчика, работающего в классе точности 0,1% и со скоростью изменения сигнала на входе, соответствующей нескольким кГц в качестве А1 может быть использован недорогой операционный усилитель кр140уд1408. Частота колебаний на его выходе устанавливается около значения 300 кГц. Величина R порядка 2 Мом. Выходной транзистор- BS107. Источник эталонного напряжения U1 собран по типовой схеме и служит для питания цепи собственно датчика.
Источник отрицательного напряжения U2 предназначен для питания операционных усилителей устройства с целью обеспечения линейности схемы при работе вблизи «нуля» на входах. Собран на операционном усилителе кр140уд1408.
Клеммы «+» и «-« предназначены для подключения датчика в двухпроводный токовый шлейф 4/20 mA.
На структурной схеме не показаны элементы защиты выходного каскада от неправильного включения и от статического напряжения.
Стоимость схемы с использованием вышеперечисленных дискретных элементов оказалась ниже стоимости аналогичного изделия с использованием XTR116.
Предлагаемый усилитель с ИКОС позволяет:
1) отказаться от применения прецизионного операционного усилителя, заменив его «копеечным» операционным усилителем или недорогим компаратором;
2) сконструировать устройство, характеристики которого практически не зависят от температуры собственно устройства;
3) реализовать необходимый коэффициент усиления сигнала в выходном термостабильном каскаде, отказавшись от дополнительного усиления в предварительных каскадах, что в свою очередь позволило:
4) осуществлять раздельную регулировку «нуля» и «диапазона» изделия, что существенно (в разы) сокращает время, необходимое на калибровку датчика;
5) Минимизировать низкочастотный шум на выходе устройства;
6) Минимизировать стоимость изделия, даже при мелкосерийном производстве.
Таким образом, в предлагаемом решении за счет введения новой схемы обратной связи на полевом транзисторе достигнуто существенное улучшение качественных показателей работы схемы при снижении ее стоимости по сравнению с известными схемными решениями, близкими к ней по параметрам.