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.

Minimalizacja błędu - schemat
Rys. 1. Schemat źródła prądowego ze zmianą napięcia zasilającego w określonych punktach układu oraz innym wzmacniaczem operacyjnym.

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.

Pisanie dla Ciebie zajmuje mi czas 🙂
Pomóż mi, dzieląc się tym artykułem z innymi 😏 🖱️

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.

błąd bezwzględny po poprawce
Rys. 2. Porównanie błędu bezwzględnego dla dwóch rozwiązań.
błąd względny po poprawce
Rys. 3. Porównanie błędu względnego dla dwóch rozwiązań.

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! 🙂