Ostatnim razem przedstawiłem swoją propozycję na zmniejszenie błędu źródła prądowego. Nie był to sposób ani najlepszy, ani najprostszy. Jeden z czytelników bloga zaproponował rozwiązanie, które jest zdecydowanie lepsze, prostsze i łatwiejsze w realizacji - chciałbym je przedstawić w tym wpisie.
Ten artykuł jest kontynuacją kilku poprzednich wpisów. Jeśli temat jest Ci obcy - zacznij czytanie od poniższych wpisów:
Problem doboru wzmacniacza
Na początku warto zadać pytanie - dlaczego w pierwotnym rozwiązaniu wybrałem wzmacniacz ADA4661? W doborze wzmacniacza kierowałem się kilkoma wymaganiami:
- miał być zasilany z 12 V,
- na wejściach powinien akceptować napięcia o wartościach sięgających napięcia zasilania (rail to rail input),
- zakres napięć wyjściowych również powinien sięgać napięć zasilania (rail to rail output),
- napięcie offsetu powinno być możliwie niskie (dla wybranego wzmacniacza wynosiło ono około 700 uA).
O błędzie, w przedstawionym układzie źródła prądowego, świadczy głównie wysokość napięcia offsetu. Czy nie dało się znaleźć wzmacniacza cechującego się niższym napięciem offsetu? Dało się - i to bez większego problemu. Wtedy pojawiały się jednak problemy z resztą kluczowych parametrów: maksymalne napięcie zasilające, zakres akceptowalnych napięć wejściowych/wyjściowych. Wybór ADA4661 wydawał się być optymalny dla przedstawionych warunków pracy.
Lepszy sposób
W poprzednich artykułach starałem się dopasować wzmacniacz do układu. Jeden z czytelników (który chciał pozostać anonimowy :) ) zadziałał odwrotnie - najpierw wybrał wzmacniacz (ADA4523-1), a później dopasował do niego układ.
Wybrany wzmacniacz (ADA4523-1) może być zasilany napięciem 12 V, jego napięcie offsetu wynosi maksymalnie 7 uA, zakres napięć wyjściowych sięga prawie napięcia zasilania, ale zakres napięć wejściowych kończy się na (Vcc - 1,5) V - i to jest duży problem. Po prostu podmieniając w układzie wzmacniacz na ADA4523-1 sprawa ulegnie pogorszeniu - tranzystor wyjściowy będzie cały czas otwarty, niezależnie od wartości napięcia sterującego. Tego nie chcemy.
Co zasugerował jeden z czytelników? :)
Proponowanym rozwiązaniem problemu minimalizacji błędu, poza zmianą wzmacniacza, jest zmiana napięcia zasilania w określonych punktach układu. Spójrz na rysunek poniżej.
Na powyższym rysunku zostały zmniejszone napięcia zasilające tranzystory - do 10 V. Co to zmienia? Niezależnie od spadku napięcia na rezystorach R3 oraz R4||R1 napięcie na wejściach wzmacniacza U4 nie przekroczy 10 V. Wzmacniacz pozostanie zasilony napięciem 12 V, więc zakres dopuszczalnych napięć wejściowych będzie wynosił od 0 V do 10.5 V. Wzmacniacz ma zdecydowanie mniejsze napięcie offsetu a napięcia wejściowe mieszczą się w dopuszczalnym zakresie. Problem został rozwiązany :)
Alternatywnym rozwiązaniem, które zadziała tak samo jest zwiększenie napięcia zasilającego wzmacniacz U4 o 2 V i pozostawienie napięcia zasilania tranzystorów na poziomie 12 V.
Jak zmienił się błąd?
W jednym z poprzednich wpisów wyrysowałem charakterystyki błędu bezwzględnego i względnego dla projektowanego układu. W celu porównania pierwotnego rozwiązania z aktualnym, dodałem do nich wykresy błędów dla aktualnego układu.
Jak widać na powyższych wykresach - różnica jest ogromna. Zagłębiając się w wyniki wykonanych przeze mnie symulacji widzę, że błąd został zmniejszony do akceptowalnego poziomu (poniżej 1 %) dla prądów większych niż 1 mA. W pierwotnym rozwiązaniu błąd był mniejszy od 1% dla prądów większych niż 15 mA.
Rozdzielczością projektowanego źródła (zgodnie z założeniami) jest 1 mA. Stąd też dla prądu 1 mA błąd wyniesie 1.8 %, dla prądu 2 mA błąd będzie miał wartość 0.9 %. Przy kolejnych nastawach prądu błąd będzie tylko mniejszy. Tylko przy pierwszej, najmniejszej nastawie, błąd będzie niewiele większy od założonego. I to jest dla mnie wystarczające i akceptowalne! :)
Podsumowanie
Każdy układ można zoptymalizować pod każdym kątem, stosując mniej lub bardziej skomplikowane rozwiązania. Te przedstawione powyżej wydaje się być skuteczne i eleganckie. Pomocnemu i sprytnemu czytelnikowi należą się brawa i podziękowania za słuszne uwagi. Dzięki! :)