Рис. 2. Схема простых источников тока

Наиболее широко используемой схемой источника тока с применением операционного усилителя (ОУ) является классическая схема, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Схема с использованием ОУ

В этой схеме регулирующий элемент — транзистор VT1 — управляется ОУ DA1, который стремится уравнять напряжения на своих выводах — инвертирующем и неинвертирующем. При этом сила тока в нагрузке R_н определяется выражением

I_н = U_вх/R₁ (2)

Для нормальной работы схемы напряжение на нагрузке U_н не должно превышать значения, определяемого выражением

U_н = I_н∙R_н < U_п — U_{кэ. нас} — I∙R1

I = I_н  (3)

где U_п — напряжение источника питания, U_{кэ. нас} — напряжение насыщения транзистора VT1, R1 — сопротивление датчика тока R1. В этой схеме ток в нагрузке I_н отличается от тока I в датчике тока R1 на величину ошибки, определяемую силами токов в цепи обратной связи, а именно: тока базы 16 транзистора VT1 и входного тока I_вхОУ DA1:

ΔI = I_в— I_вх. (4)

Очевидно, что величина ошибки установления требуемого тока в нагрузке тем меньше, чем меньше входной ток ОУ DA1 и чем больше коэффициент усиления транзистора VT1. По этой причине на практике в качестве регулирующего элемента обычно применяются составные транзисторы.

Рис. 4. Схема с использованием ОУ

Рис. 5. Схема с плавающей нагрузкой

Аналогичными свойствами обладает источник тока, схема которого показана на рис. 4. Это устройство также описывается выражениями (2–4) и отличается лишь направлением тока. Основной недостаток здесь по сравнению с классической схемой заключается в дополнительном ограничении на минимальное и максимальное напряжения на нагрузке:

U_н.min > U_п — U_выхОУ — U_бэ = U_п — U_nOУ;

U_н.max < U_n — U_{кэ. нас} — IR1, (5)

где U_n — напряжение источника питания, U_выхОУ — максимальное выходное напряжение ОУ, U_nOУ — напряжение питания ОУ.

Еще одним вариантом источника тока является схема с плавающей нагрузкой, приведенная на рис. 5. Сила тока в нагрузке здесь также определяется выражением (2). Так как нагрузка R_н включена последовательно с датчиком тока R1, то на ошибку устанавливаемого тока не влияет ток базы транзистора VT1 и она определяется лишь очень малым входным током ОУ DA1:

ΔI = I_вх (6)

Недостатком этой схемы, подобно схеме рис. 4, является ограничение на величину максимального напряжения на нагрузке, определяемую неравенством

U_н.max < U_выхОУ — U_бэ — I_R1 = U_nOУ — IR1. (7)

Рис. 6. Схема с заземленной нагрузкой

Рис. 7. Схема с полевым транзистором

Кроме того, в ряде применений оказывается неудобным то обстоятельство, что оба вывода нагрузки оторваны и от земли и от шин питания.

На схему с плавающей нагрузкой очень похожа схема с заземленной нагрузкой (рис. 6). В этой схеме ток в нагрузке определяется выражением (2), а ошибка его установления — выражением (4). Наличие возможности заземления нагрузки является существенным преимуществом данного устройства. Максимальное напряжение на нагрузке ограничено неравенством

U_{н. max} < U_выхОУ — U_бэ = U_nOУ (8)

В качестве регулирующего элемента можно применить полевой транзистор. Это позволит уменьшить ошибку, связанную с входным током регулирующего элемента. Такая схема приведена на рис. 7. Здесь также ток в нагрузке определяется выражением (2), а ошибка установления его значения, определяемая входным током ОУ, — выражением (6). Существенный недостаток данной схемы связан с тем, что крутизна полевого транзистора примерно на порядок ниже крутизны биполярного транзистора. Это вынуждает значительно увеличивать управляющее напряжение на затворе регулирующего элемента VT1, которое, как было показано выше, ограничено выходным напряжением ОУ DA1. Кроме того, применение полевого транзистора существенно уменьшает коэффициент передачи в цепи обратной связи и ухудшает в целом температурную стабильность источника тока, что приводит к увеличению ошибки устанавливаемой силы тока нагрузки.

Рис. 8. Схема с переменным током в нагрузке

Сравнив описанные выше схемы с применением ОУ и имея в виду применение ОУ с малыми входными токами, приходим к выводу, что наиболее точно силу тока в нагрузке можно получить в схеме рис. 5. Во всех источниках тока, кроме схемы рис. 3, имеются жесткие ограничения, накладываемые на величину напряжения на нагрузке, связанные с максимальным выходным напряжением ОУ. В схеме рис. 3 можно получить любое требуемое напряжение на нагрузке путем соответствующего выбора напряжения питания нагрузки U_n. При этом нужно учитывать лишь одно ограничение — максимально допустимое коллекторное напряжение транзистора VT1.

Во всех схемах источников тока с ОУ для обеспечения нормальной работы ОУ и для повышения точности установки выходного тока необходимо в качестве регулирующего элемента использовать супер-бета или составные транзисторы.

В ряде случаев требуется сформировать в нагрузке ток, переменный как по величине, так и по направлению. Для таких применений хорошо работает схема [4], приведенная на рис. 8. Эта схема, как и все предыдущие, может быть получена из общей функциональной схемы рис. 1 при условии, что два одинаковых источника тока — один для тока положительной полярности, а другой для отрицательной — работают на общий датчик тока (резистор R6) и общую нагрузку с комплексным сопротивлением Z_н и имеют общую цепь обратной связи. В этой схеме выходной ток I_н в точности повторяет форму входного напряжения U_вх и определяется выражением

I_н = ((U_вх + U_н) — U_н)/R6 = U_вх/R6 (9)

При указанных на схеме номиналах источник тока преобразует входное напряжение от —10 до +10 В в ток от —10 до +10 мА. Для достижения высокой точности преобразования нужно использовать резисторы Rl — R6 с допуском не более 1 %. Недостатком приведенной схемы являются жесткие ограничения на величину выходного напряжения, связанные с максимальным выходным напряжением ОУ и определяемые неравенствами