Las técnicas de circuito de salida de corriente agregan versatilidad a su caja de herramientas analógica
Aunque los espejos de corriente y los circuitos, como la fuente de corriente de Howland, se enseñan en los cursos de circuitos analógicos, un sorprendente número de ingenieros tiende a pensar exclusivamente en términos de voltaje al definir la salida de los circuitos analógicos de precisión. Es una lástima, ya que las salidas de corriente ofrecen ventajas en varias situaciones, incluida la señalización de bucle de corriente analógica (0 mA a 20 mA y de 4 mA a 20 mA) en entornos de alto ruido y el cambio de nivel de una señal analógica en un gran diferencia de potencial sin el uso de técnicas de aislamiento óptico o magnético. Este artículo resume algunas de las técnicas disponibles y sugiere una serie de circuitos útiles.
Es notablemente fácil obtener una salida de corriente constante. El método más simple utiliza un espejo de corriente: dos transistores idénticos, fabricados en el mismo chip para que su proceso, geometría y temperaturas sean todos idénticos, se conectan como se muestra en la Figura 1. El voltaje del emisor base es el mismo para ambos dispositivos, entonces la corriente de salida que fluye en el colector de T2 es la misma que la corriente de entrada que fluye en el colector de T1.
Este análisis asume que T1 y T2 son idénticos e isotérmicos, y que su ganancia de corriente es tan grande que las corrientes de base pueden ignorarse. También ignora el voltaje inicial, que hace que la corriente del colector varíe con la variación del voltaje del colector.
Estos espejos de corriente se pueden fabricar con transistores NPN o PNP. Formando T2 con norte transistores conectados en paralelo, la corriente de salida será norte veces la corriente de entrada, como se muestra en la Figura 2a. Si T1 consta de metro transistores y T2 de norte transistores, entonces la corriente de salida será Nuevo Méjico veces la corriente de entrada, como se muestra en la Figura 2b.
Los tres colectores T2 pueden unirse para dar 3IEN.
Si el efecto del voltaje temprano es importante, se puede minimizar usando el espejo de corriente de Wilson, un poco más complejo. Las versiones de tres y cuatro transistores se muestran en la Figura 3. La versión de cuatro transistores es más precisa y tiene un rango dinámico más amplio.
Cuando se requiere un amplificador de transconductancia (entrada de voltaje/salida de corriente), se puede fabricar con un amplificador operacional de suministro único, un BJT o FET (un MOSFET suele ser la mejor opción ya que no hay un error de corriente de base) y una resistencia de precisión que define la transconductancia, como se muestra en la Figura 4.
Este circuito es simple y económico. El voltaje en la compuerta MOSFET establece la corriente en el MOSFET y R1 de manera que V1, el voltaje en R1, es igual al voltaje de entrada, VEN.
Si se requiere un espejo de corriente dentro de un circuito integrado monolítico, los espejos de corriente de transistor simple son ideales. Sin embargo, con los circuitos discretos, el alto precio de los transistores combinados (debido a su demanda limitada, más que a las dificultades de fabricación) hace que el espejo de corriente del amplificador operacional que se muestra en la Figura 5 sea la técnica menos costosa. Este espejo de corriente utiliza un amplificador de transconductancia más una resistencia adicional.
Los espejos de corriente tienen una impedancia de entrada relativamente alta, a veces no lineal, por lo que deben ser alimentados por una corriente de una fuente de corriente de alta impedancia (a veces conocida como fuente de corriente). tieso fuente actual). Se requiere un amplificador operacional si la corriente de entrada debe tener un sumidero de baja impedancia. La Figura 6 muestra dos Z bajosEN espejos actuales.
Con fuentes y espejos de corriente básicos, las polaridades de corriente de entrada y salida son las mismas. Por lo general, los emisores/fuentes de los transistores de salida están conectados a tierra, directamente o a través de una resistencia de detección, y la corriente de salida fluye desde el colector/drenador hasta una carga, cuya otra terminal está conectada a un suministro de CC. Esto no siempre es conveniente, especialmente cuando una terminal de la carga debe estar conectada a tierra. Esto no es un problema si el circuito puede construirse con su emisor/fuente en el suministro de CC, como se muestra en la Figura 7.
Si la entrada de corriente o voltaje se refiere a tierra, se debe usar el cambio de nivel. Son posibles varios circuitos, pero el sistema que se muestra en la Figura 8 es adecuado en muchas situaciones. Este circuito simple utiliza una fuente de corriente a tierra para impulsar un espejo de corriente en el suministro de CC, que impulsa la carga. Tenga en cuenta que el espejo actual puede tener ganancia, por lo que la corriente de señal no necesita ser tan grande como la corriente de carga.
Los circuitos que hemos discutido hasta ahora son unipolares, la corriente fluye en una dirección, pero también es posible hacer circuitos de corriente bipolares. La más simple y mejor conocida es la bomba de corriente de Howland, ilustrada en la Figura 9. Este circuito simple tiene una serie de problemas: requiere una adaptación de resistencia muy precisa para obtener una alta impedancia de salida; la impedancia de la fuente de entrada se suma a la resistencia de R1, por lo que debe ser muy baja para minimizar el error de coincidencia; las tensiones de alimentación deben ser sustancialmente superiores a la tensión máxima de salida; y el CMRR del amplificador operacional debe ser razonablemente bueno.
Los amplificadores de instrumentación de alto rendimiento de hoy en día (in-amps) no son caros, por lo que es bastante simple hacer una fuente de corriente bipolar utilizando un amplificador operacional, un in-amp y una resistencia de detección de corriente, como se muestra en la Figura 10. Tales Los circuitos son más simples que la bomba Howland, no dependen de una red de resistencias (excepto la integrada con el amplificador de entrada) y pueden tener una oscilación de voltaje de aproximadamente 500 mV de cada suministro.
Los circuitos que hemos considerado hasta este punto son amplificadores con salidas de corriente de precisión. Por supuesto, pueden usarse con una entrada fija como fuentes de corriente precisas, pero es posible construir fuentes de corriente de 2 terminales más simples. La referencia de voltaje de baja corriente ADR291 tiene una corriente de espera de aproximadamente 10 μA con un coeficiente de temperatura típico de 20 nA/°C. Al agregar una resistencia de carga como se muestra en la Figura 11, la corriente de referencia en un rango de suministro de 3 V a 15 V es (2,5/R + 0,01) mA, donde R es la resistencia de carga en kΩ.
Si la precisión no es un problema y todo lo que se requiere es una fuente de corriente unipolar rígida, se puede construir una fuente de corriente con un JFET en modo de empobrecimiento y una resistencia. Este arreglo, que se muestra en la Figura 12, no es particularmente estable a la temperatura y, para un valor dado de R, la corriente puede variar considerablemente de un dispositivo a otro, pero es simple y económico.
Recientemente necesité energía para algunos LED. Varios amigos ingenieros pensaron que tendría problemas para hacer que el suministro de corriente variable que se requiere para atenuarlos. De hecho, modifiqué rápidamente algunas fuentes de alimentación de computadoras portátiles "de ladrillo negro" (compradas por centavos en una venta de maleteros de automóviles) para hacer el trabajo. La Figura 13 muestra una modificación simple que suministra corriente constante a los LED. Con corrientes de salida pequeñas, funciona normalmente con un voltaje de salida fijo.
Para hacer una corriente variable, se aplica una referencia de voltaje, del ladrillo negro o local, a un potenciómetro representado por P1 y P2. OPA2 y el MOSFET envían una pequeña corriente a través de R1, lo que provoca una caída de voltaje en él. La corriente de carga fluye en la resistencia de detección. Si la caída de voltaje en la resistencia de detección debido a la corriente de carga excede la caída en R1, la salida de OPA1 aumentará, anulando el control de voltaje en el bloque y limitando su voltaje de salida para evitar que la corriente de salida exceda el límite.
Esta discusión de ideas básicas de fuentes actuales no es una nota de aplicación detallada. Algunos de los circuitos requieren más trabajo de diseño para limitar (o disipar) el calor, para garantizar la estabilidad del amplificador y que no se excedan las clasificaciones máximas absolutas, y para calcular los límites de rendimiento practicables. Para obtener análisis más detallados de estos circuitos, consulte un buen libro de texto de electrónica, el sitio web de Analog Devices o incluso Wikipedia.
Referencias
AN-1208 Nota de aplicación. Fuente de corriente bidireccional programable usando el potenciómetro digital AD5292 y el amplificador operacional ADA4091-4. Dispositivos analógicos, Inc., 2013.
AN-1530. Fuentes de corriente de alta precisión y bajo costo que utilizan el amplificador diferencial AD8276 y el amplificador operacional AD8603.
Circuito Nota CN-0151. Versátiles fuentes de corriente programables de alta precisión que utilizan DAC, amplificadores operacionales y transistores MOSFET.
Murnane, Martín. AN-968 Nota de aplicación. Fuentes de Corriente: Opciones y Circuitos. Dispositivos analógicos, Inc., 2008.
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