Come progettare una pompa di corrente di precisione con Op

Nella teoria dei circuiti, le sorgenti di tensione e le sorgenti di corrente sono ugualmente ideali e ugualmente facili da implementare. Disegna semplicemente un cerchio e poi aggiungi i segni più e meno per la tensione o una freccia per la corrente. Ora hai un elemento del circuito che genera una tensione specifica in tutte le condizioni o che guida una corrente specifica in tutte le condizioni.

Nella vita reale, le sorgenti non sono ideali e, inoltre, approssimare una sorgente di tensione teorica è molto più semplice che approssimare una sorgente di corrente teorica. Le sorgenti di tensione sono semplici come una batteria, un diodo zener o un partitore di tensione resistivo combinato con un buffer.

Le sorgenti attuali, d'altra parte, di solito richiedono una progettazione intelligente dei circuiti e una maggiore attenzione ai dettagli operativi.

Esistono vari modi per progettare una fonte di corrente. Prima di esaminare una topologia a due amplificatori operazionali, esaminiamo brevemente alcune altre opzioni. Puoi approfondire tutti questi argomenti cliccando sui rispettivi link.

Un approccio interessante consiste nell'utilizzare un regolatore di tensione come regolatore di corrente:

Un'altra opzione è un circuito basato su un amplificatore di cui ho parlato in un precedente articolo su come progettare una sorgente di corrente bidirezionale semplice, controllata in tensione. Un circuito basato su un amplificatore ricorda vagamente la topologia a due amplificatori operazionali, ma uno degli amplificatori è un amplificatore per strumentazione anziché un amplificatore operazionale.

Infine, abbiamo la pompa di corrente Howland, che è stata analizzata approfonditamente in un articolo sulla AAC scritto dal Dott. Sergio Franco.

Ho trovato questo circuito, descritto come una "pompa di corrente di precisione", in una vecchia nota dell'app di Analog Devices. Produce una corrente di uscita bidirezionale direttamente proporzionale alla tensione di ingresso.

Ecco lo schema elettrico originale:

Ci sono alcune cose che mi piacciono di questo circuito. Innanzitutto, sono necessari solo due tipi di componenti: amplificatori operazionali e resistori.

In secondo luogo, gli amplificatori operazionali hanno lo stesso codice. È vero che questo circuito utilizza due amplificatori operazionali mentre la pompa Howland ne usa solo uno, ma il fatto che entrambi gli amplificatori operazionali possano essere la stessa identica parte è vantaggioso perché è possibile utilizzare un pacchetto IC a doppio amplificatore operazionale e quindi ridurre al minimo qualsiasi cosa per il secondo amplificatore operazionale sono necessari costi aggiuntivi o spazio su scheda.

In terzo luogo, quattro dei cinque resistori (R2, R3, R4, R5) possono avere lo stesso valore e quindi il guadagno tensione-corrente è controllato da un resistore (R1). Il valore di R2–R5 non è critico, quindi puoi adattare il circuito ai componenti già presenti in laboratorio o a una distinta base esistente. Tieni presente, tuttavia, che resistori di precisione più elevata produrranno una sorgente di corrente di precisione più elevata.

In quarto luogo, la tensione di ingresso è differenziale. Ciò offre una certa flessibilità nel modo in cui si fornisce la tensione di controllo e consente di sfruttare la capacità di corrente di uscita bidirezionale del circuito senza la necessità di generare una tensione di controllo che si estende sotto terra.

Utilizzeremo un'implementazione LTspice per aiutarci ad analizzare la sorgente di corrente a due amplificatori operazionali.

Qui sto usando l'"amplificatore operazionale unipolare ideale" di LTspice. Inizialmente l'ho provato con l'OP-77, ma la simulazione non ha funzionato correttamente. Potrebbe essersi verificato un problema con il macromodello OP-77, perché ho un'altra versione del circuito che utilizza l'amplificatore operazionale LT1001A e simula correttamente.

I circuiti con sorgente di corrente costante generalmente si basano su un tipo di feedback che fa sì che una sorgente di tensione produca una corrente specifica indipendentemente dalla resistenza di carico. (Puoi vederne un chiaro esempio nel driver LED controllato in tensione che ho progettato per un progetto di sensore di colore.)

Nella pompa di corrente a due amplificatori operazionali, U1 amplifica la tensione di controllo differenziale e U2 è configurato come inseguitore di tensione che rileva la tensione attraverso il carico e la restituisce allo stadio di ingresso.

La configurazione della sorgente di tensione mostrata sopra produce una tensione di ingresso differenziale che varia da +250 mV a –250 mV. Secondo l'equazione fornita nella nota dell'app, la corrente di uscita dovrebbe variare da 2,5 mA a –2,5 mA, poiché AV = 1 e R1 = 100 Ω, e questo è esattamente ciò che osserviamo: