RU2173021C1

RU2173021C1 - Voltage-to-current converter

Info

Publication number: RU2173021C1
Application number: RU2000105990A
Authority: RU
Inventors: В.В. Долгих; Л.А. Теренько
Original assignee: Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2001-08-27

Abstract

FIELD: industrial electronics; instrumentation engineering. SUBSTANCE: proposed voltage-to-current converter designed for shaping current signal in arbitrary-resistance load of saw-tooth voltage generator circuits has first negative-feedback operational amplifier using also positive feedback circuit set up of two resistors of which one is inserted between operational amplifier output and converter output, other resistor being connected to noninverting input of mentioned amplifier; novelty is introduction of second operational amplifier whose inverting input is connected to converter output and noninverting one, to negative feedback circuit of this amplifier and to resistor connected to noninverting input of first operational amplifier. EFFECT: enlarged current regulation range towards lower values. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано в приборостроении для формирования токового сигнала в нагрузке с произвольным сопротивлением, в схемах генераторов пилообразного напряжения, преобразователях напряжения в частоту. The invention relates to the field of industrial electronics and can be used in instrumentation to generate a current signal in a load with an arbitrary resistance, in circuits of sawtooth voltage generators, voltage to frequency converters.

Известен преобразователь напряжения в ток (см., например, Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. Л., Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1988, с. 69, рис. 2-6,а), содержащий усилитель с транзистором и резистором в цепи отрицательной обратной связи. Благодаря включению нагрузки в цепь коллектора транзистора и глубокой обратной связи по току, обеспечиваются линейность передаточной функции (зависимости тока от входного напряжения) и очень малая зависимость тока от напряжения на нагрузке. Однако при построении слаботочных преобразователей (нано- и микроамперного диапазонов) из-за большого влияния неуправляемых токов транзистора точность преобразователя значительно снижается. Кроме этого, преобразователь формирует ток только одного направления. A known voltage-to-current converter (see, for example, Gutnikov V.S. Integrated electronics in measuring devices. - 2nd ed., Rev. And add. L., Energoatomizdat. Leningrad.otdniye, 1988, p. 69 , Fig. 2-6, a), containing an amplifier with a transistor and a resistor in the negative feedback circuit. Thanks to the inclusion of the load in the collector circuit of the transistor and deep current feedback, the linearity of the transfer function (dependence of the current on the input voltage) and a very small dependence of the current on the voltage at the load are ensured. However, when constructing low-current converters (nano- and microampere ranges), due to the large influence of uncontrolled transistor currents, the accuracy of the converter is significantly reduced. In addition, the converter generates current in only one direction.

Известен также преобразователь напряжение - ток для заземленной нагрузки (см. , например, Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов.радио, 1979, с. 169-170, рис. 4-14,б), содержащий усилитель, охваченный положительной и отрицательной обратными связями, выполненными на четырех резисторах, с подключением нагрузки к неинвертирующему входу усилителя. К недостаткам схемы относятся сложность обеспечения требуемого соотношения сопротивлений в цепи положительной обратной связи при плавной регулировке коэффициента передачи преобразователя или при его настройке. При построении слаботочных преобразователей из-за погрешностей высокоомных резисторов существенно проявляется зависимость выходного тока от напряжения на нагрузке. A voltage-current converter is also known for a grounded load (see, for example, Shilo V.L. Linear integrated circuits in electronic equipment. M: Sov.radio, 1979, pp. 169-170, Fig. 4-14, b) containing an amplifier covered by positive and negative feedbacks made on four resistors, with the load connected to the non-inverting input of the amplifier. The disadvantages of the circuit include the difficulty of ensuring the required resistance ratio in the positive feedback circuit when continuously adjusting the gear ratio of the converter or when setting it. When constructing low-current converters, due to the errors of high-resistance resistors, the dependence of the output current on the voltage at the load is significantly manifested.

Наиболее близким к заявляемому является преобразователь напряжение - ток (см. , например, О.В. Кустов, Лундин В.З. Операционные усилители в линейных цепях. М. : Связь, 1978, с. 170-171, рис. 4-15,г), содержащий операционный усилитель с отрицательной обратной связью, охваченный также положительной обратной связью, выполненной на трех резисторах. Нагрузка подключается к средней точке резисторов, включенных между выходом усилителя и его неинвертирующим входом. К недостаткам схемы относятся сложность обеспечения требуемого соотношения сопротивлений в цепи положительной обратной связи при плавной регулировке коэффициента передачи преобразователя или при его настройке. При использовании вместо двух резисторов, включенных между выходом усилителя и его неинвертирующим входом, одного переменного резистора облегчается регулирование выходного тока этим резистором, но из-за больших погрешностей сопротивлений переменных резисторов и их низкой температурной стабильности невозможно обеспечить малую зависимость тока от напряжения на нагрузке в широком диапазоне температур и в течение длительного времени. При построении слаботочных преобразователей из-за возрастания погрешностей по мере увеличения сопротивления резисторов существенно проявляется зависимость выходного тока от напряжения на нагрузке. Closest to the claimed one is a voltage-current converter (see, for example, OV Kustov, Lundin VZ Operational amplifiers in linear circuits. M.: Communication, 1978, pp. 170-171, Fig. 4-15 , d) containing the operational amplifier with negative feedback, also covered by positive feedback made on three resistors. The load is connected to the midpoint of the resistors connected between the output of the amplifier and its non-inverting input. The disadvantages of the circuit include the difficulty of ensuring the required resistance ratio in the positive feedback circuit when continuously adjusting the gear ratio of the converter or when setting it. Using instead of two resistors connected between the output of the amplifier and its non-inverting input, one variable resistor makes it easier to regulate the output current with this resistor, but due to the large errors in the resistance of the variable resistors and their low temperature stability, it is impossible to ensure a small current dependence on the voltage across the load in a wide temperature range and for a long time. When constructing low-current converters, due to an increase in errors, as the resistance of the resistors increases, the dependence of the output current on the voltage at the load is significantly manifested.

Задачей изобретения является расширение диапазона регулирования токов в сторону малых значений. The objective of the invention is to expand the range of regulation of currents in the direction of small values.

Решение задачи достигается тем, что в преобразователе напряжение - ток, содержащем первый операционный усилитель с отрицательной обратной связью, охваченный также положительной обратной связью, содержащей три резистора один из которых включен между выходом операционного усилителя и выводом для подключения нагрузки, а второй и третий резисторы подключены к неинвертирующему входу упомянутого усилителя, дополнительно введен второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к выводу для подключения нагрузки, а инвертирующий вход соединен с цепью отрицательной обратной связи второго усилителя и третьим резистором. The solution to the problem is achieved in that in the voltage-current converter containing the first operational amplifier with negative feedback, also covered by positive feedback containing three resistors, one of which is connected between the output of the operational amplifier and the output for connecting the load, and the second and third resistors are connected to the non-inverting input of the aforementioned amplifier, a second operational amplifier is additionally introduced, the non-inverting input of which is connected to the output for connecting the load, and The rotary input is connected to the negative feedback circuit of the second amplifier and the third resistor.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено вторым операционным усилителем, неинвертирующий вход которого подключен к выходу преобразователя, а инвертирующий вход соединен с цепью отрицательной обратной связью второго усилителя и третьим резистором
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".The claimed technical solution differs from the prototype in that it is equipped with a second operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the output of the converter, and the inverting input is connected to the negative feedback circuit of the second amplifier and the third resistor
A comparison of the proposed technical solution with the prototype allows you to establish compliance with its criterion of "novelty."

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия". Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype, are not identified in other technical solutions in the study of this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "significant differences".

На чертеже приведена схема преобразователя напряжение - ток. Предложенное устройство содержит первый операционный усилитель 1 (A1), выход которого соединен с выходом 2 преобразователя через первый резистор 3 (R5). Цепь отрицательной обратной связи усилителя 1, стабилизирующая его коэффициент усиления, образована резисторами 4 (R1) и 5 (R3). Второй 6 (R2) и третий 7 (R4) резисторы подключены к неинвертирующему входу усилителя 1. Второй операционный усилитель 8 (A2) подключен неинвертирующим входом к выводу для подключения нагрузки 2, а инвертирующим - к третьему резистору 7. Цепь отрицательной обратной связи усилителя 8 может быть выполнена путем соединения выхода усилителя 8 с его инвертирующим входом непосредственно или через резистор 9 (R6). Нагрузка 10 (R_н) подключается через выходной зажим 2. При необходимости получения дополнительного сигнала, пропорционального напряжению на нагрузке 10, выход усилителя 8 может быть подключен к дополнительному выводу 11 преобразователя.The drawing shows a diagram of a voltage-current converter. The proposed device contains a first operational amplifier 1 (A1), the output of which is connected to the output 2 of the Converter through the first resistor 3 (R5). The negative feedback circuit of amplifier 1 stabilizing its gain is formed by resistors 4 (R1) and 5 (R3). The second 6 (R2) and third 7 (R4) resistors are connected to the non-inverting input of amplifier 1. The second operational amplifier 8 (A2) is connected by a non-inverting input to the output for connecting load 2, and the inverting to the third resistor 7. Amplifier 8 negative feedback circuit can be performed by connecting the output of the amplifier 8 with its inverting input directly or through a resistor 9 (R6). The load 10 (R _n ) is connected via the output terminal 2. If you need to receive an additional signal proportional to the voltage at the load 10, the output of the amplifier 8 can be connected to the additional output 11 of the Converter.

Преобразователь работает следующим образом. Входные напряжения U₁ и U₂ на выходе усилителя 1 формируют напряжение U_1вых, по действием которого через резистор 3 протекает ток, который далее течет в нагрузку 10. Пренебрегая ввиду их малости входными токами усилителей 1 и 8, составим систему уравнений, описывающих состояние схемы. Рассматривая цепи, образованные резисторами 4, 5 и 6, 7 как два пассивных сумматора токов, получаем
U_1ВХ.И=(U₁R3+U_1ВЫХR1)/(R1+R3);
U_1ВХ.Н=(U₂R4+U_2ВХ.ИR2)/(R2+R4),
где U_1ВХ.И и U_1ВХ.Н - напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя 1, соответственно; U_2ВХ.И - напряжение на инвертирующем входе усилителя 2.The converter operates as follows. The input voltages U ₁ and U ₂ at the output of the amplifier 1 form a voltage U _1out , through which a current flows through the resistor 3, which then flows into the load 10. Neglecting, due to their smallness, the input currents of the amplifiers 1 and 8, we will compose a system of equations describing the state of the circuit . Considering the circuit formed by resistors 4, 5 and 6, 7 as two passive current adders, we obtain
U _{1 IN.I} = (U ₁ R3 + U _{1 OUT} R1) / (R1 + R3);
U _1BX.H = (U ₂ R4 + U _2BX.and R2) / (R2 + R4),
where U _1BX.I and U _1BX.H are the voltages at the inverting and non-inverting inputs of the amplifier 1, respectively; U _2VX.I - voltage at the inverting input of the amplifier 2.

Благодаря глубокой отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель 1, и большому его коэффициенту усиления напряжение U_1ВХ.И на инвертирующем входе и напряжение U_1ВХ.Н на неинвертирующем входе равны друг другу. Аналогично для усилителя 2 можно записать
U_2ВХ.И=U_2ВХ.Н.Due to the deep negative feedback that spans amplifier 1 and its large gain, the voltage is U _1VX. And the voltage at the inverting input is U _1BX.N at the non-inverting input. Similarly for amplifier 2, you can write
U _2BX.I = U _2BX.H.

Кроме этого, в соответствии со схемой
U_2ВХ.Н=U_Н,
где U_Н - напряжение на нагрузке 10.In addition, in accordance with the scheme
U _2BX.H = U _H ,
where U _N - voltage at load 10.

Учитывая также, что
U_1ВЫХ-U_Н=I_ВЫХR5;
U_Н=I_ВЫХR_Н,
при R1/R3=R2/R4 после преобразования получаем
I_ВЫХ=(U₂-U₁)R3/(R1R5).Considering also that
U _{1 OUT} -U _H = I _OUT R5;
U _N = I _OUT R _N ,
when R1 / R3 = R2 / R4 after the conversion, we obtain
I _OUT = (U ₂ -U ₁ ) R3 / (R1R5).

Таким образом, выходной ток I_ВЫХ преобразователя при R1/R3=R2/R4 не зависит от напряжения на нагрузке 10, причем это свойство не зависит от сопротивления резистора 3 (R5). Плавное регулирование выходного тока можно осуществлять изменением сопротивления резистора 3 в очень широких пределах, начиная от токов, соизмеримых с входными токами усилителя 8, до токов, определяемых допустимой нагрузкой усилителя 1. Шунтирующее влияние входной цепи усилителя 8 можно снизить до пренебрежимо малого выбором операционного усилителя с полевыми транзисторами во входном каскаде. Например, при использовании операционного усилителя 544УД2А с входным током не более 0,1 нА (см. Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение. - М.: Радио и связь, 1989, с. 110-111) при погрешности тока, определяемой его зависимостью от напряжения на нагрузке, не более 0,1%, возможно формирование токов, начиная от 100 нА. При этом сопротивления резисторов 4-7 (R1-R4, R6) могут быть сравнительно малыми, обеспечивающими допустимые погрешности от протекания по ним входных токов усилителя 1, и имеющие малые собственные погрешности.Thus, the output current I _{OUT of the} converter with R1 / R3 = R2 / R4 does not depend on the voltage at load 10, and this property does not depend on the resistance of resistor 3 (R5). Smooth control of the output current can be carried out by changing the resistance of the resistor 3 in a very wide range, ranging from currents commensurate with the input currents of amplifier 8 to currents determined by the allowable load of amplifier 1. The shunt effect of the input circuit of amplifier 8 can be reduced to a negligible choice of operational amplifier with field effect transistors in the input stage. For example, when using an operational amplifier 544UD2A with an input current of not more than 0.1 nA (see Alekseev A.G., Voishvillo G.V. Operational amplifiers and their application. - M .: Radio and communications, 1989, p. 110- 111) when the current error, determined by its dependence on the voltage at the load, is not more than 0.1%, currents can form, starting from 100 nA. In this case, the resistances of resistors 4-7 (R1-R4, R6) can be relatively small, providing acceptable errors from the flow of input currents of amplifier 1 along them, and having small intrinsic errors.

Усилитель 8 по отношению к напряжению U_Н является неинвертирующим усилителем с коэффициентом усиления K=R6/(R2+R4+R6). При отсутствии резистора 9 (R6=0) K=1. В соответствии с этим дополнительный выход 11 позволяет получить напряжение U_ВЫХ, пропорциональное падению напряжения на нагрузке 10. Благодаря малому выходному сопротивлению усилителя 8, охваченного отрицательной обратной связью, потребление тока с выхода 11 может быть значительно больше выходного тока I_ВЫХ.The amplifier 8 with respect to the voltage U _N is a non-inverting amplifier with a gain of K = R6 / (R2 + R4 + R6). In the absence of resistor 9 (R6 = 0) K = 1. In accordance with this, the additional output 11 allows you to obtain a voltage U _OUT proportional to the voltage drop across the load 10. Due to the low output resistance of the amplifier 8, which is covered by negative feedback, the current consumption from output 11 can be significantly greater than the output current I _OUT .

Таким образом, предложенный преобразователь напряжения в ток позволяет использовать в схеме относительно низкоомные резисторы с минимальными погрешностями, обеспечивающими независимость выходного тока от напряжения на нагрузке, регулировать этот ток в очень широких пределах изменением сопротивления только одного резистора и формировать токи, начиная от десятков наноампер. Thus, the proposed voltage-to-current converter makes it possible to use relatively low-resistance resistors in the circuit with minimal errors ensuring the independence of the output current from the voltage at the load, to regulate this current over a very wide range by changing the resistance of only one resistor, and to generate currents starting from tens of nanoamps.

Claims

A voltage converter is a current containing the first operational amplifier with negative feedback, also covered by positive feedback containing three resistors, the first of which is connected between the output of the operational amplifier and the output for connecting the load, and the second and third resistors are connected to the non-inverting input of the said amplifier, characterized in that it is equipped with a second operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the output for connecting the load, and the inverting input is connected to a negative feedback circuit of the second operational amplifier and a third resistor.