в цепи обратной связи достаточно мал, что обычно выполняется на практике, то через последовательно соединенные источники питания, датчик тока, регулирующий элемент и нагрузку протекает одинаковый ток. При этом условии практически любой вариант схемы получается перестановкой последовательно соединенных узлов и выбором точки заземления. Если же ток в цепи обратной связи соизмерим с током в основной цепи, необходимо учитывать появление погрешностей при установке нужного тока в нагрузке. Однако существуют схемные решения, в которых ток обратной связи протекает как через датчик тока, так и через нагрузку, что компенсирует возникновение ошибки.
Рис. 1. Функциональная схема источника тока
В качестве регулирующего элемента в практических схемах обычно применяют одиночные или чаще составные транзисторы, в качестве датчика тока — резистор или диод. При выборе точки заземления также исходят из практических соображений.
Для понимания работы источников тока рассмотрим типовые схемы, получаемые из общей функциональной схемы, показанной на рис. 1.
В качестве простейшего источника тока хорошо работает обычный транзистор с резистором в эмиттерной цепи (рис. 2,а). Сила тока в нагрузке определяется выражением
Iк = (Uвх — Uбэ)/R1 (1)
где Iн — ток в нагрузке, Uвх — входное напряжение, Uбэ — падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1, R1 — сопротивление датчика тока R1. Меняя величину Uвх, можно установить требуемый ток нагрузки. Обычно для задания входного напряжения с необходимой точностью используются источники опорного напряжения (ИОН) [1]. В этой схеме обратная связь по напряжению с выхода датчика тока R1 на вход регулирующего элемента VT1 в явном виде отсутствует.
Вследствие этого сила тока в нагрузке зависит как от сопротивления нагрузки, так и от температуры и параметров транзистора. Тем не менее, благодаря своей простоте это устройство часто применяется там, где не требуется высокой стабильности тока в нагрузке. Более стабильно работает устройство, схема которого показана на рис. 2,б, которое благодаря своей простоте и высокой повторяемости находит широчайшее применение в интегральной схемотехнике [2].
Рис. 2. Схема простых источников тока
Наиболее широко используемой схемой источника тока с применением операционного усилителя (ОУ) является классическая схема, приведенная на рис. 3.
Рис. 3. Схема с использованием ОУ
В этой схеме регулирующий элемент — транзистор VT1 — управляется ОУ DA1, который стремится уравнять напряжения на своих выводах — инвертирующем и неинвертирующем. При этом сила тока в нагрузке Rн определяется выражением
Iн = Uвх/R1 (2)
Для нормальной работы схемы напряжение на нагрузке Uн не должно превышать значения, определяемого выражением
Uн = Iн∙Rн < Uп — Uкэ. нас — I∙R1
I = Iн (3)
где Uп — напряжение источника питания, Uкэ. нас — напряжение насыщения транзистора VT1, R1 — сопротивление датчика тока R1. В этой схеме ток в нагрузке Iн отличается от тока I в датчике тока R1 на величину ошибки, определяемую силами токов в цепи обратной связи, а именно: тока базы 16 транзистора VT1 и входного тока IвхОУ DA1:
ΔI = Iв— Iвх. (4)
Очевидно, что величина ошибки установления требуемого тока в нагрузке тем меньше, чем меньше входной ток ОУ DA1 и чем больше коэффициент усиления транзистора VT1. По этой причине на практике в качестве регулирующего элемента обычно применяются составные транзисторы.
Рис. 4. Схема с использованием ОУ
Рис. 5. Схема с плавающей нагрузкой
Аналогичными свойствами обладает источник тока, схема которого показана на рис. 4. Это устройство также описывается выражениями (2–4) и отличается лишь направлением тока. Основной недостаток здесь по сравнению с классической схемой заключается в дополнительном ограничении на минимальное и максимальное напряжения на нагрузке:
Uн.min > Uп — UвыхОУ — Uбэ = Uп — UnOУ;
Uн.max < Un — Uкэ. нас — IR1, (5)
где Un — напряжение источника питания, UвыхОУ — максимальное выходное напряжение ОУ, UnOУ — напряжение питания ОУ.
Еще одним вариантом источника тока является схема с плавающей нагрузкой, приведенная на рис. 5. Сила тока в нагрузке здесь также определяется выражением (2). Так как нагрузка Rн включена последовательно с датчиком тока R1, то на ошибку устанавливаемого тока не влияет ток базы транзистора VT1 и она определяется лишь очень малым входным током ОУ DA1:
ΔI = Iвх (6)
Недостатком этой схемы, подобно схеме рис. 4, является ограничение на величину максимального напряжения на нагрузке, определяемую неравенством
Uн.max < UвыхОУ — Uбэ — IR1 = UnOУ — IR1. (7)
Рис. 6. Схема с заземленной нагрузкой
Рис. 7. Схема с полевым транзистором
Кроме того, в ряде применений оказывается неудобным то обстоятельство, что оба вывода нагрузки оторваны и от земли и от шин питания.
На схему с плавающей нагрузкой очень похожа схема с заземленной нагрузкой (рис. 6). В этой схеме ток в нагрузке определяется выражением (2), а ошибка его установления — выражением (4). Наличие возможности заземления нагрузки является существенным преимуществом данного устройства. Максимальное напряжение на нагрузке ограничено неравенством
Uн. max < UвыхОУ — Uбэ = UnOУ (8)
В качестве регулирующего элемента можно применить полевой транзистор. Это позволит уменьшить ошибку, связанную с входным током регулирующего элемента. Такая схема приведена на рис. 7. Здесь также ток в нагрузке определяется выражением (2), а ошибка установления его значения, определяемая входным током ОУ, — выражением (6). Существенный недостаток данной схемы связан с тем, что крутизна полевого транзистора примерно на порядок ниже крутизны биполярного транзистора. Это вынуждает значительно увеличивать управляющее напряжение на затворе регулирующего элемента VT1, которое, как было показано выше, ограничено выходным напряжением ОУ DA1. Кроме того, применение полевого транзистора существенно уменьшает коэффициент передачи в цепи обратной связи и ухудшает в целом температурную стабильность источника тока, что приводит к увеличению ошибки устанавливаемой силы тока нагрузки.
Рис. 8. Схема с переменным током в нагрузке
Сравнив описанные выше схемы с применением ОУ и имея в виду применение ОУ с малыми входными токами, приходим к выводу, что наиболее точно силу тока в нагрузке можно получить в
