Преобразователь тока в напряжение на ОУ

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

В радиотехнике часто возникает необходимость в преобразователях. Многие источники сигнала имеют токовый выход. К таким источникам относятся ЦАПы, фоторезисторы, фототранзисторы и др… Для последующих манипуляций с сигналом необходимо преобразовывать его в напряжение. Рассмотрим проверенный временем преобразователь тока в напряжение на ОУ с разными источниками сигнала. 

Преобразователь тока в напряжение

Преобразователь тока в напряжение (или сокращенно I-U преобразователь) — это схемное решение, позволяющее преобразовывать  выходной токовый сигнал источника в напряжение. 

Так же его называют усилитель — преобразователь сопротивления. Такое название в технической литературе было дано за то, что простейший преобразователь тока в напряжение — это резистор. 

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Вся магия преобразования происходит по закону дедушки Ома. Ток iвх протекая через резистор R  вызывает на нем падение напряжение Uвых. Величина этого напряжения  прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:

Uвых = R × iвх

Основной недостаток использования одного резистора состоит в его ненулевом сопротивлении. Это обстоятельство становится серьезной проблемой, когда источник не в состоянии обеспечить необходимый уровень напряжения на резисторе. Результатом буду просадки напряжения на выходе.

Еще больше сопротивление сказывается на работе преобразователя, если у источника тока малый выходной рабочий диапазон. К таким источникам относится, например, фотодиод. Его выходной ток составляет единицы мкА.

В случае же ЦАПа, особенно высококачественного, использование резистора для преобразования предпочтительнее. Почему и зачем читайте в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом. Это обусловлено некоторыми фазовыми проблемами схем, которые будут рассмотрены. К счастью для нас, источникам вроде фотодиода фазовые искажения безразличны. 

Схема преобразователя ток-напряжение на ОУ

Схема преобразователя тока в напряжение, совсем не нова, но проверенна и безотказна. В общем виде она выглядит следующим образом:

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Ток сигнала iвх втекает в инвертирующий вход. Поскольку входной ток идеального ОУ равен нулю, то весь входящий ток поступает на резистор R цепи обратной связи. Этот ток создает на резисторе падение напряжения по закону все того же Ома.

Как результат ОУ будет стараться поддерживать на сопротивлении нагрузки RН напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент усиления схемы в, таком случае, имеет размерность сопротивления. Что еще раз объясняет советское название усилитель-преобразователь сопротивления:

K = Uвых ÷ iвх = R

Преобразователь для заземленного источника

Рассмотрим несколько схем преобразователя тока в напряжение на ОУ, подходящие для любого случая. Начнем со схемы преобразователя для фотодиода.

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Направление протекания тока показано стрелкой, и для данного случая величина выходного напряжения составит:

Uвых = − iвх × R

Знак минус появляется из-за выбранного направления протекания тока фотодиода. (Указано стрелкой на схеме выше)

На этой схеме так же показан дополнительный резистор в 1 МОм, с неинвертирующего(+) входа ОУ на землю. Схема останется работоспособной и без этого резистора, а вход операционного усилителя в таком случае заземляется напрямую.

Однако имея резистор в 1 МОм в цепи обратной связи, на каждый 1 мкА входного тока на выходе будет создан 1 Вольт напряжения. При таком коэффициенте усиления (миллион раз) резистор желателен из-за неидеальности операционных усилителей.

Преобразователь тока в напряжение используют и с источниками сигнала, подключенными к шине питания. Такая схема часто применяется с элементами вроде фототранзисторов. Фототранзистор потребляет (пропускает) ток, под действием внешнего источника света, положительной шины питания.

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника

Такой преобразователь отличается наличием второго токочувствительного резистора в цепи прохождения сигнального тока, который заземлен. Схема симметричного преобразователя ток-напряжение это подобие дифференциального усилителя.

Преобразователь ток-напряжение на ОУ, cхема преобразователя ток-напряжение

В следствии падения напряжения так же и на заземленном резисторе, потенциал входа ОУ падает ниже потенциала земли, а на выходе устанавливается напряжение:

Uвых = −2 × iвх × R

Симметричный преобразователь тока в напряжение — пример операционной схемы, которой необходим незаземленный (плавающий) источник сигнала. Таким источником может послужить все тот же фотодиод. При этом фотодиод может быть вынесен за пределы платы. Для еще большей минимизации помех, желательно использовать экранированный кабель, экран которого должен быть соединен с землей.

Заключение

Рассмотренные схемы используются повсеместно. Они прекрасно подходят для токовых источников с плавным изменением сигнала. Для ЦАПов же предпочтительнее использование резистора. О том, чем это лучше, и как правильно согласовать резистор со следующим каскадом читайте в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом.

Материал подготовлен исключительно для сайта AudioGeek.ru

Небесный Андрей / автор статьи
Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название - АудиоГик. Материалы этого сайта - личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали :-) 
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Комментариев: 5
  1. Владимир

    Здравствуйте, Андрей!
    Спасибо за полезную информацию!
    Хочу воспользоваться Вашим советом, однако меня гложет одно сомнение. Насколько правильно использовать преобразователь ток-напряжения (ТИ) для трансформатора тока (ТТ)? ТТ требуется обязательно сопротивление нагрузки. В теории ТИ обладает нулевым входным сопротивлением. Или я заблуждаюсь? Не корите строго в схемотехнике я не силен. :)

  2. Небесный Андрей (автор)

    Здравствуйте Владимир!
    Честно говоря с трансформаторами тока не работал, но слегка по-гуглил.
    Во первых — у Вас переменный или постоянный ток?
    Во вторых да, преобразователь ток-напряжение в идеале имеет нулевое входное сопротивление. Для преобразования можете воспользоваться резистором, а уже с него снимать напряжение тем же неинвертирующим усилителем на ОУ, такое было показано в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом.
    Если у вас переменный ток, то для измерений требуется его сначала выпрямить, для этого можно воспользоваться активным выпрямителем.

  3. Владимир

    Андрей, спасибо за ответ!
    Я перечитал, и взял на вооружение все Ваши подходящие мне статьи.
    Кроме того просмотрел, И Хоровица с нашим дорогим Хиллом :), и Титце с Шенком тоже, и Достала, который Иржи, а также Пейна. Складывается впечатление, что противоречий нет. Но и уверенности тоже нет. Сказывается отсутствие знаний в теории цепей и практической схемотехнике. Видно надо макетировать и пробовать. Как говорят теоретики — практика критерий истины. :)
    Ток конечно же переменный.
    Изначально я так и хотел, нагрузить вторичку сопротивлением (ТТ требует обязательную нагрузку), но потом наткнулся на статью, где утверждалось, что все современные измерители с ТТ используют преобразователи ток-напряжение, ну и загорелся!
    Еще раз спасибо!

  4. Леонид

    Андрей! Доброе время суток! Хочу сказать пару слов по теме — схема с n-p-n фототранзистором (Ik=1…2.ma, Vcc= +/- 12V) вполне работоспособна. Эксперименты по её применению в ИК-датчике показали следующее:
    частотный диапазон 0-3,0 кГц ( выше просто не проверял, т.к. не надо)
    неравномерность АЧХ в полосе 20 Гц-3,0 кГц — менее 0,5 дБ
    коэфф. нелинейных искажений — менее 3% (может и меньше, надо уточнить с генератором тестового сигнала, а я проверял на вибростенде, у которого своих искажений хватает)
    амплитуда — 3,0 В и более.
    ИМС ОУ проверялись разные — от LM358 до малошумящих
    Тема интересная.
    Удачи

  5. Небесный Андрей (автор)

    Здравствуйте! спасибо за столь подробный комментарий!
    Рад что у Вас получились интересные результаты. Вообще схемку я позаимствовал У Хоровиц и Хилла. Сам когда-то ее собирал) Правда так глубоко не копал ее характеристики, ибо не требовалось)
    Извиняюсь, что так долго отвечал, готовился к защите магистерской диссертации)

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.