Преобразователи ток-напряжение

Преобразователи ток-напряжение предназначены для работы с источниками тока. Идеальный источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление, а его выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки. Примером таких источников могут служить фотоэлемен­ты: фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители. Их выходное сопротивление очень велико (хотя и имеет ко­нечное значение), поэтому чем меньше сопротивление нагрузки, тем в большей степени они работают как ис­точники тока. Использование фотоэлементов в режиме источника тока улучшает линейность световой характе­ристики, обеспечивает более высокое быстродействие, повышает стабильность параметров во времени и при эксплуатации.

Функцию преобразования ток-напряжение успешно выполняет инвертирующий усилитель, у которого сопро­тивление входного резистора равно нулю (рис. 25, а). При таком включении входное сопротивление схемы

Для современных операционных усилителей, имею­щих коэффициент усиления Л порядка нескольких десят­ков тысяч, входное сопротивление преобразователя ток- напряжение составляет от долей до нескольких ом в за­висимости от величины сопротивления резистора обрат­ной СВЯЗИ Roc-

Рис. 25. Схема преобразователя ток-напряжение

Выходное напряжение преобразователя ток-напря­жение пропорционально входному току / (ток источни­ка), умноженному на сопротивление резистора обратной

СВЯЗИ Roc

Для повышения разрешающей способности преобра­зователя ток-напряжение необходимо, чтобы сигналь­ный ток превышал значение входного тока операционно­го усилителя. Поэтому при измерении малых токов сле­дует применять операционные усилители с наименьшими входными токами (усилители с полевыми транзисторами на входе).

На рис. 25, б показана схема преобразователя ток-напряжение в паре с фотодиодом. При таком включении повышается быстродействие фотодиода, поскольку иск­лючается влияние его собственной емкости за счет того, что он работает на очень низкоомную нагрузку.

Емкость фотодиода не определяет частотную характепистику непосредственно схемы. Эта характеристика определяется сопротивлением резистора обратной связи и проходной емкостью операционного усилителя, поэто­му дая получения максимальной ширины частотной ха­рактеристики, верхняя граница которой ограничена час­тотной характеристикой самого ОУ, необходимо умень­шать сопротивление резистора обратной связи.

Нужно учитывать, что емкость фотодиода оказывает существенное воздействие на спектральную плотность шума На частотах, при которых емкостная составляю­щая полного сопротивления фотодиода становится мень­ше полного сопротивления обратной связи, происходит возрастание напряжения. Скорость возрастания зависит от соотношения между уровнем шума на входе операци­онного усилителя, уровнем шума фотодиода и шумовым сопротивлением резистора обратной связи. Дляумень-шення шумового напряжения резистор обратной связи шунтируется емкостью. Уменьшение сопротивления на­грузки для источника тока позволяет также повысить линейность световой характеристики.

Сигнальный ток фотодиода пропорционален освещен­ности Е и интегральной чувствительности фотодиода S.

Тогда выходное напряжение схемы будет равно

Важным преимуществом схемы является то, что при изменении сопротивления резистора обратной связи Яос от сотен ом до нескольких мегаом можно измерять освещенности, отличающиеся в сотни тысяч раз.

Включение фотодиода в фотогальваническом режиме (без напряжения смещения) на низкоомную нагрузку •(рис. 25, б) уменьшает температурный коэффициент ин­тегральной чувствительности.

Еще одно достоинство такого включения — отсутствие темнового тока, что особенно важно в случае гальвани­ческой связи с последующими каскадами при измерении непрерывных световых потоков.

При измерении переменных (мудулированных) свето­вых потоков и емкостной связи с последующими каска­дами используется схема, приведенная на рис. А в. в которой фотодиод включен со смещением. В этом

случае снижается емкость и увеличивается интегральная чувствительность фотодиода, но появляется темновой ток фотодиода /фт, который очень сильно зависит от темпе­ратуры.

Погрешность преобразователя ток-напряжение так­же определяется параметрами самого операционного

Рнс. 26. Преобразователь тока фотодиода в напряжение с входным каскадом на полевых транзисторах

усилителя. Она обусловлена напряжением смещения, входным током и их дрейфами. Коэффициент усиления преобразователя ток-напряжение для напряжения сме­щения и шумовых напряжений определяется выражением

(так как где /?ф — внутреннее сопротивление фотодиода.

Выходное напряжение ОУ за счет его погрешностей будет равно

Если нет операционного усилителя с малыми входны­ми токами, можно использовать схему с дополнительны­ми полевыми транзисторами на входе (рис. 26). Резистор R2 служит для балансировки выходного напряжения.

Конденсатор СЗ предназначен для уменьшения выходно­го шумового напряжения.

рис. 27. Фотореле

На рис. 27 представлена схема фотореле, в котором фотодиод включен на иеин-вертирующий вход. Эта схе­ма пригодна для работы только на низких частотах, так как фотодиод генерирует ток всего в несколько микро­ампер, а для получения не­обходимого выходного на­пряжения, которое опрсделяется выражением

сопротивление резистора R2 и коэффициент передачи кас­када, равный 1 + , должны быть достаточно большими.

При увеличении сопротивления резистора R2 емкость фо­тодиода будет значительно ограничивать частотную ха­рактеристику каскада, а при увеличении коэффициента усиления значительно увеличивается влияние входных погрешностей операционного усилителя.

постоянным ток стабилитрона независимо от тока нагрузки, значительно уменьшить выходное сопро­тивление и увеличить ток нагрузки, а также регулиро­вать выходное напряжение опорного источника в широ­ких пределах.

На рис. 28, а показана схема однополярного источни­ка опорного напряжения, обеспечивающего выходное напряжение, величина которого выше напряжения ста­билизации стабилитрона и может регулироваться в пре­делах от 10 до 25 В. В этой схеме операционный усили­тель работает от одного источника питания +30 В. От­рицательный вывод источника питания заземлен, а па неинвертируюший вход ОУ подано смещение от стаби­литрона. На выходе операционного усилителя включен эмиттерный повторитель на транзисторе V3 для увели­чения выходного тока источника опорного сигнала. Сиг­нал обратной связи, подаваемый на инвертирующий вход ОУ, снимается с делителя (резисторы R4 — R6). Из­меняя глубину обратной связи положением движка по­тенциометра (резистор R4), можно регулировать выход­ное напряжение. Максимальная величина выходного нап­ряжения ограничена напряжением насыщения транзис­тора V3 и диапазоном выходного напряжения ОУ. Минимальная величина выходного напряжения источника опорного напряжения ограничивается допустимым син­фазным напряжением на входе ОУ и элементами дели­теля R4 — R6. Резистор R7 защищает выход операцион­ного усилителя от короткого замыкания. Транзистор V2

предназначен для защиты транзистора V3 при бросках тока, превышающих силу выходного тока источника опорного напряжения. Допустимая сила тока перегрузки устанавливается резистором R8. При силе тока нагрузки, превышающей допустимую, на резисторе R8 создается падение напряжения, достаточное для открытия транзис­тора V2, который ограничивает базовый ток транзистора V3. Для обеспечения нормальной работы источника опор­ного напряжения транзистор V3 должен иметь стати­ческий коэффициент усиления тока базы не менее 50— 100. Сила выходного тока источника опорного напряже­ния 100 мА.

В тех случаях, когда необходимо получать биполяр­ные напряжения, симметричные относительно земли, мо­жет быть использована схема, показанная на рис. 28, б. В этой схеме оба выхода обеспечивают симметричное относительно земли напряжение, величина которого оп­ределяется напряжением стабилизации одного стаби­литрона V3. Поскольку напряжение на стабилитроне формируется при помощи операционных усилителей, он изолирован от изменений источника питания. Ток стаби­лизации определяется только напряжением стабилизации стабилитрона V3 и сопротивлением резистора R4:

Выходное напряжение также не зависит от тока наг­рузки по обоим выходам двухполярного опорного источ­ника. Операционный усилитель Л2 и усилитель тока на транзисторе V4 обеспечивают ток нагрузки по отри­цательному, а ОУ AI и усилитель тока VI по положи­тельному выходам. Отрицательное выходное напряжение равно напряжению стабилизации примененного стабилит­рона: Ывих=«ст. В то же время положительное выходное напряжение определяется отношением резисторов R3 и R5, т. е. может быть усилено или ослаблено относительно напряжения стабилизации стабилитрона V3:

При равенстве сопротивлений резисторов R3 и R5 по­ложительное выходное напряжение равно отрицательному выходному напряжению источника двухполярного напря­жения. В тех случаях, когда не требуются симметричные