Кероване джерело струму для заземленого навантаження

Кероване джерело струму для заземленого навантаження, яке містить перший резистор, перший вивід якого є входом керованого джерела 3 85447 силювача 4, неінверсний вхід якого заземлений. Інверсний вхід другого операційного підсилювача 4 і його вихід підключені між собою за допомогою п'ятого резистора 8 (R5). В схемі прототипу [1, с.134, рис.7.15.а)] показано, що неінверсні входи операційних підсилювачів підключаються в ланцюг через балансувальні резистори, які зрівнюють струми витоку входів цих підсилювачів. Проте сучасні мікросхеми мають нехтовно малі вхідні стр уми, наприклад, з польовими транзисторами на вході, і достатньо прецизійні [2, с.351], тому балансувальні резистори на Фіг. 1 не показані. Перший R1 і другий R2 резистори визначають коефіцієнт підсилення Кпідс1. 1 першого підси ( ) лювача ОП1 по керуючій напрузі Uвх . П'ятий R5 і четвертий R4 резистори визначають коефіцієнт підсилення Кпідс2 другого підсилювача ОП2 по напрузі, що знімається з навантаження RH. Другий R2 і п'ятий R5, резистори визначають коефіцієнт підсилення (Кпідс1.2) першого підсилювача ОП1 по напрузі зворотного зв'язку. Коефіцієнт підсилення Кпідс1. 2 × Кпідс2 зворотного зв'язку, утвореного операційними підсилювачами ОП1 і ОП2, встановлюють рівним одиниці. Цей зворотний зв'язок є позитивним. Опорний резистор RОП , що включається послідовно із заземленим навантаженням RH, визначає величину вихідного струму Івих при ( ( ) ) строю як відношення Uвх / RОП . Такі ознаки прототипу, як перший резистор, перший вивід якого є входом пристрою, а другий вивід якого підключений до першого виводу другого резистора і до інверсного входу операційного підсилювача, вихід якого підключений до другого виводу др угого резистора, третій і четвертий резистори, і опорний резистор, перший вивід якого є виходом пристрою, збігаються зі суттєвими ознаками заявленого пристрою. Пояснимо роботу прототипу за допомогою його стр уктурної схеми, зображеної на Фіг. 2. Вхідна керуюча напруга Uвх з урахуванням коефіцієнта підсилення першого операційного підсилювача ОП1 по цьому вході, Кпідс1. 1 , визначуваного співвідношенням значень першого R1 і другого R2 резисторів, надходить на перший підсумувальний вхід керованого джерела струму, який являє собою інвертувальний суматор, побудований на першому операційному підсилювачі ОП1 і першому R1, другому R2, і третьому R3 резисторах. Напруга з виходу першого операційного підсилювача ОП1 перетворюється у ви хідний струм Iвих пристрою за допомогою опорного резистора RОП і опору навантаження RH. Спад напруги на навантаженні RH, викликаний вихідним струмом Iвих , надходить на інвертувальний підсилювач, з коефіцієнтом підсилення Кпідс2 , який побудований на другому операційному підсилювачі ОП2 і четвертому R4 і п'ятому R5 резисторах. Перетворений таким чином спад напруги на нава 4 нтаженні в напругу зворотного зв'язку надходить на другий підсумувальний вхід керованого джерела струму, компенсуючи вплив навантаження. При цьому добуток коефіцієнта підсилення Кпідс1 .2 першого операційного підсилювача ОП1 по цьому другому підсумувальному вході, визначуваного третім R3 і другим R2 резисторами, на коефіцієнт підсилення Кпідс2 другого підсилювача ОП2, визначуваний четвертим R4 і п'ятим R5 резисторами, встановлюють рівним одиниці. З урахуванням зображеної структурної схеми прототипу можна зобразити його коефіцієнт перетворення Кпер таким чином, враховуючи, що Кпідс1. 2 × Кпідс2 = 1 : І К пер = вих = К підс .1 1 Uвх = К підс . 1 1 1 RОП + RH = 1 1 - К підс .2 × × К підс2 × RH 1 RОП + RH (1) 1 1 = К підс .1 1 RОП + RH - RH RОП З отриманого виразу видно, що ви хідний струм прототипу визначається лише керуючою вхідною напругою Uвх і опорним резистором RОП . Коефіцієнт підсилення Кпідс1. 1 , для простоти розрахунку схеми, встановлюють рівним одиниці. Недоліком прототипу є те, що у випадку високоомного навантаження і при малому значенні керованого струму вхідний опір підсилювача зворотного зв'язку обмежений, що приводить до відгалуження частини керованого струму, а отже, і до похибки керування. Ця властивість особливо виявляється при використанні як заземлене навантаження електродної системи, що працює в низькопровідному розчині [3]. Керування струмом, що проходить через цю систему, здійснюють, контролюючи спад напруги на електродах. Щоб не знизити точність керування, необхідно збільшити вхідний опір підсилювача зворотного зв'язку, тобто збільшити номінали четвертого R4 і п'ятого R5 резисторів. .Але при цьому збільшиться адитивна похибка другого операційного підсилювача ОП2. (Ця залежність відома, наприклад, у роботі [4, с 22] сказано, що для зменшення адитивної похибки інверсного підсилювача належить зменшува ти опір зворотного зв'язку і його вхідний опір.) А збільшення адитивної похибки ОП2 знижує точність керування струмом. У цьому полягає технічна суперечність, яка властива прототипові при його роботі в такому режимі. В основу винаходу поставлена задача створення керованого джерела струму для заземленого навантаження, який забезпечував би високоомний зйом сигналу з цього навантаження, причому без залучення додаткових елементних ресурсів, наприклад, узгоджувального пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в керованому джерелі струму для заземленого навантаження, що містить перший резистор, перший вивід якого є входом пристрою, а другий вивід якого підключений до першого виводу другого резистора і до інверсного входу операційного підсилювача, вихід якого підключений до другого виводу 5 85447 другого резистора, третій і четвертий резистори, і опорний резистор, перший вивід якого є виходом пристрою, згідно з винаходом перший вивід опорного резистора підключений до неінверсного входу операційного підсилювача, вихід якого підключений до першого виводу третього резистора, другий вивід якого підключений до першого виводу четвертого резистора, другий вивід якого заземлений, при цьому др угий вивід опорного резистора через елемент - повторювач підключений до другого виводу третього резистора. Заявлена сукупність суттєви х ознак забезпечує нову те хнічну властивість - можливість подачі спаду напруги на заземленому навантаженні безпосередньо на неінверсний вхід операційного підсилювача, який високоомний через наявність глибокого негативного зв'язку, причому без залучення додаткового підсилювача з глибоким негативним зв'язком, як виконано у відомих технічних рішеннях [5] [1, с.134, рис.7.15, б)]. Ця нова властивість забезпечує досягнення технічного результату винаходу - зменшення спотворення сигналу, що знімається із заземленого навантаження, за рахунок збільшення вхідного опору засобу контролю керованого струму. Вказаний технічний результат підвищує точність перетворення вхідної напруги у ви хідний струм пристрою. Додатковим технічним результатом винаходу є спрощення пристрою за рахунок виключення одного з резисторів. Заявлене кероване джерело струму, підключене до заземленого навантаження RH, зображене на Фіг. 3 і містить перший резистор 1 (R1), перший вивід якого є входом пристрою, на який подається вхідна напруга Uвх . Другий вивід резистора 1 підключений до першого виводу другого резистора 2 (R2) і до інверсного входу операційного підсилювача 3 (ОП). Вихід операційного підсилювача 3 підключений до другого виводу др угого резистора 2 і до першого виводу третього резистора 4 (R3). Другий вивід третього резистора 4 підключений до першого виводу четвертого резистора 5 (R4), другий вивід якого заземлений. Пристрій містить опорний резистор 6 ( RОП ), перший вивід якого є виходом пристрою і до якого підключений неінверсний вхід операційного підсилювача 3. Другий вивід опорного резистора 6 через елемент повторювач 7 (П) підключений до другого виводу третього резистора 4 (R3). Пояснимо роботу запропонованого пристрою за допомогою його структурної схеми, зображеної на Фіг. 4. Вхідна керуюча напруга Uвх з урахуванням коефіцієнта підсилення Кпідс1. 1 операційного підсилювача ОП по цьому вході, визначуваного співвідношенням номіналів першого R1 і другого R2 резисторів, надходить на підсумувальний вхід пристрою, який є підсилювачем з двома входами інвертувальний з коефіцієнтом підсилення Кпідс1. 1 , визначуваним співвідношенням номіналів першого R1 і другого R2 резисторів, і неінверту 6 вальний з коефіцієнтом підсилення Кпідс1 .2 , визначуваним відношенням номіналу другого R2 резистора до номіналу першого R1 резистора плюс одиниця. Сигнал з ОП надходить до дільника, виконаного на третьому R3 і четвертому R4 резисторах. Співвідношення їх номіналів вибирають так, щоб коефіцієнт передачі цього дільника, помножений на коефіцієнт підсилення Кпідс1 .2 . був рівній одиниці. Наприклад, при рівності номіналів першого R1 і др угого R2 резисторів номінали третього R3 і четвертого R4 резисторів повинні бути теж рівні. Напруга з дільника надходить на вхід елемента повторювача П. Напруга з виходу повторювача П перетворюється у вихідний струм Iвих пристрою за допомогою опорного резистора RОП і навантаження RH. Спад напруги на заземленому навантаженні RH, викликаний вихідним струмом Iвих , надходить на неінверсний вхід операційного підсилювача ОП, компенсуючи вплив цього навантаження. За допомогою зображеної структурної схеми запропонованого керованого джерела струму можна показати його коефіцієнт перетворення Кпер таким чином: І К пер = вих = К підс1. 1 Uвх R4 1 × R3 + R4 RОП + RH R4 1 1 - Кпідс1. 2 × × × RH R3 + R 4 RОП + RH (2) де R3 і R4 - номінали відповідно третього і четвертого резисторів. Враховуючи, що коефіцієнт поділу дільника, утвореного третім і четвертим резисторами, підбирають так, щоб його коефіцієнт поділу і коефіцієнт підсилення Кпідс1 .2 операційного підсилювача по неінверсному вході утворили одиничний позитивний зворотний зв'язок, вираз (2) в остаточному підсумку набуває вигляду: І R4 1 Кпер = в их = Кпідс 1.1 × × Uв х R3 + R 4 RОП (3) звідки видно, що ви хідний струм запропонованого керованого джерела струму визначається лише керуючою вхідною напругою Uвх і опорним резистором RОП . Деяке зменшення коефіцієнта передачі запропонованого пристрою в порівнянні з прототипом, викликане коефіцієнтом передачі дільника, легко компенсується cпіввідношенням значень Кпідс1. 1 і RОП . Елемент - повторювач 7 може бути реалізований на базі другого операційного підсилювача, неінверсної вхід якого є входом повторювача. При цьому вихід цього операційного підсилювача підключений до його інверсного входу і є виходом елемента - повторювача 7. Перевага заявленого керованого джерела струму полягає також в тому, що у разі використовування як заземлене навантаження електродної системи повторювач 7 може бути виконаний у вигляді простого провідника, без залучення в пристрій для виконання цієї функції елементних ресурсів і властивої їм адитивної похибки. Це 7 85447 пояснюється наступним. При створенні вимірників концентрацій розчинених речовин з передавальною функцією, що використовує основне рівняння електрохімічної кінетики, робочий електрод поляризують струмом, близьким до струмів обміну, який може мати порядок від 10-8 до 10-13А [6, с.212]. Наприклад, іоноселективні скляні електроди мають електричний опір більше 100МОм [7, с.71]. Це значить, що вихідний струм, що протікає через навантаження, значно менше струму Iд , протікаючого через дільник, утворений третім R3 і четвертим R4 резисторами ( Iвих