worklog: очарование аналоговой схемотехники
Эти самые "токовые зеркала", оказывается, любопытнейшая вещь. С их помощью можно, например, организовать замер напряжения отдельных ячеек в аккумуляторной батарее - это нужно для балансировки батареи, чтоб это делать не наугад, а только с просевшими или перезаряженными элементами. Я уже как-то размышлял над этой задачей, породив что-то громоздкое, с гальваничской изоляцией, дифференциальным усилителем и управляемыми ключами.
Сейчас же дошёл до того, что на каждую ячейку вешаем p-n-p токовое зеркало "с усилением": на плюсовой контакт элемента - ветка с эмиттерным резистором, на минусовой - ветка без резистора. Если все прочие параметры находятся в балансе, тогда с коллекторного резистора "плюсовой" ветки снимаем напряжение, равное напряжению на элементе, т.е. оное токовое зеркало работает как простейший дифференциальный усилитель. Ясное дело, что это работает тем лучше, чем точнее элементы и ближе параметры транзисторов в парах; так же этот метод годится только для ячеек с номером выше 1 (если считать от "земли"), ибо у первой ячейки минусовой контакт на нуле и ток никуда не потечёт. Но её напряжение можно, как правило, замерить непосредственно (или же сделать псевдоземлю с отрицательным смещением от нуля - например, при помощи charge pump.. но зачем?)
Мультиплексор тут можно сделать из обычного дешифратора (например, 74hc139) и кучки дешёвых опторелюшек (CPC1008 и типа того). Релюшки выключены - утечки нет. Ну, разумеется, ещё надо оторвать все коллекторные резисторы от земли, когда мы не хотим ничего измерять. И воткнуть диоды в эмиттеры каждой ветви, чтобы исключить обратные токи.
Если же выяснится, что эту схему, при всём её изяществе, невозможно довести по точности хотя бы до 1%, то всегда остаётся вариант с дифференциальным усилителем.
Так же осмыслил схемку двунаправленного токового датчика в шине питания, вот эту (подписи на картинке не обязательно совпадают с прописанными номиналами элементов):
Можно поставить полевички, можно биполярники, от этого смысл схемы не меняется (но меняется возможный динамический диапазон). Тут хитрость в том, что опорное напряжение преобразуется в опорный ток (левая половинка схемы), который опять-таки превращается в напряжение, относительно которого уже отсчитывается сигнал с шунта. Оный сигнал затем превращается в ток обратно, пропускается через выходной резистор и вуаля - на выходе мы получаем (Vref - Vsense*Gain) (фактическое сложение или вычитание зависит от направления тока), а Gain это соотношение сопротивлений резисторов (20/1); чтобы упростить задачу, схема сбалансирована, но это совершенно не обязательно. Параметры транзисторов так же совпадать вовсе не обязаны, а операционники так вообще: правый может быть практически любым, в т.ч. и низковольтным, а вот левый набо выбирать исходя из соображений того, что ему придётся работать с сигналом вблизи его плюсового питания (запитаться следует от той же шины). Выход не обязательно должен быть rail-to-rail, то это желательно для расширения динамики, особенно если транзисторы биполярные. Если же полевые, да ещё и с более-менее высоким затворным порогом, тогда упомянутый на схеме TL082 (или TL072 - насколько мне известно, схемотехнически они идентичны, но "семёрки" отобраны по более низким шумам) подойдёт идеально. С учётом того, что они ещё и идут по копейке за горсть, получается вообще замечательно.
Я раньше как-то упускал из вида эти древние чипы (судя по индексу и по схеме, это разработка явно из 70ых), а щас посмотрел внимательнее и впечатлился - да, они не такие быстрые и не могут rail-to-rail, но у них масса весьма вкусных свойств (упомянутая способность работать вблизи напряжения питания, например), делающих их очень интересными. Например, если вернуться к схеме токового регулятора, то вместо высокочастотного RRIO операционника можно воткнуть старичка TL072, регулирующий элемент пусть будет npn транзистор (с низким напряжением насыщения, разумеется), а для пущей крутоты вместо простейшего токового зеркала воткнём зеркало Уилсона (с третьим транзистором, эффективно развязывающим переменную нагрузку от токозадающего транзистора). И эта штука замечательнейше справляется с подавлением пульсаций даже мегагерцовой частоты, точно устанавливая выходной ток где надо: при пульсациях на входе 500кГц / 0.3В выходной ток колеблется менее чем на 0.02 мА от 90мА (пока только в модели, разумеется)! Это впечатляет. Для того, чтобы всё это увидеть и сравнить, сделаю две версии регулятора - с крутотанским AD8031 и с копеечным TL081.
Да, я знаю, для всех этих задач "уже есть готовые чипы", но это не интересно и не спортивно. И, как правило, гораздо дороже - и это не я такой скупердяй-нищеброд, это потенциальный заказчик, которого перманентно душит жаба за каждый "лишний" элемент.
Сейчас же дошёл до того, что на каждую ячейку вешаем p-n-p токовое зеркало "с усилением": на плюсовой контакт элемента - ветка с эмиттерным резистором, на минусовой - ветка без резистора. Если все прочие параметры находятся в балансе, тогда с коллекторного резистора "плюсовой" ветки снимаем напряжение, равное напряжению на элементе, т.е. оное токовое зеркало работает как простейший дифференциальный усилитель. Ясное дело, что это работает тем лучше, чем точнее элементы и ближе параметры транзисторов в парах; так же этот метод годится только для ячеек с номером выше 1 (если считать от "земли"), ибо у первой ячейки минусовой контакт на нуле и ток никуда не потечёт. Но её напряжение можно, как правило, замерить непосредственно (или же сделать псевдоземлю с отрицательным смещением от нуля - например, при помощи charge pump.. но зачем?)
Мультиплексор тут можно сделать из обычного дешифратора (например, 74hc139) и кучки дешёвых опторелюшек (CPC1008 и типа того). Релюшки выключены - утечки нет. Ну, разумеется, ещё надо оторвать все коллекторные резисторы от земли, когда мы не хотим ничего измерять. И воткнуть диоды в эмиттеры каждой ветви, чтобы исключить обратные токи.
Если же выяснится, что эту схему, при всём её изяществе, невозможно довести по точности хотя бы до 1%, то всегда остаётся вариант с дифференциальным усилителем.
Так же осмыслил схемку двунаправленного токового датчика в шине питания, вот эту (подписи на картинке не обязательно совпадают с прописанными номиналами элементов):
Можно поставить полевички, можно биполярники, от этого смысл схемы не меняется (но меняется возможный динамический диапазон). Тут хитрость в том, что опорное напряжение преобразуется в опорный ток (левая половинка схемы), который опять-таки превращается в напряжение, относительно которого уже отсчитывается сигнал с шунта. Оный сигнал затем превращается в ток обратно, пропускается через выходной резистор и вуаля - на выходе мы получаем (Vref - Vsense*Gain) (фактическое сложение или вычитание зависит от направления тока), а Gain это соотношение сопротивлений резисторов (20/1); чтобы упростить задачу, схема сбалансирована, но это совершенно не обязательно. Параметры транзисторов так же совпадать вовсе не обязаны, а операционники так вообще: правый может быть практически любым, в т.ч. и низковольтным, а вот левый набо выбирать исходя из соображений того, что ему придётся работать с сигналом вблизи его плюсового питания (запитаться следует от той же шины). Выход не обязательно должен быть rail-to-rail, то это желательно для расширения динамики, особенно если транзисторы биполярные. Если же полевые, да ещё и с более-менее высоким затворным порогом, тогда упомянутый на схеме TL082 (или TL072 - насколько мне известно, схемотехнически они идентичны, но "семёрки" отобраны по более низким шумам) подойдёт идеально. С учётом того, что они ещё и идут по копейке за горсть, получается вообще замечательно.
Я раньше как-то упускал из вида эти древние чипы (судя по индексу и по схеме, это разработка явно из 70ых), а щас посмотрел внимательнее и впечатлился - да, они не такие быстрые и не могут rail-to-rail, но у них масса весьма вкусных свойств (упомянутая способность работать вблизи напряжения питания, например), делающих их очень интересными. Например, если вернуться к схеме токового регулятора, то вместо высокочастотного RRIO операционника можно воткнуть старичка TL072, регулирующий элемент пусть будет npn транзистор (с низким напряжением насыщения, разумеется), а для пущей крутоты вместо простейшего токового зеркала воткнём зеркало Уилсона (с третьим транзистором, эффективно развязывающим переменную нагрузку от токозадающего транзистора). И эта штука замечательнейше справляется с подавлением пульсаций даже мегагерцовой частоты, точно устанавливая выходной ток где надо: при пульсациях на входе 500кГц / 0.3В выходной ток колеблется менее чем на 0.02 мА от 90мА (пока только в модели, разумеется)! Это впечатляет. Для того, чтобы всё это увидеть и сравнить, сделаю две версии регулятора - с крутотанским AD8031 и с копеечным TL081.
Да, я знаю, для всех этих задач "уже есть готовые чипы", но это не интересно и не спортивно. И, как правило, гораздо дороже - и это не я такой скупердяй-нищеброд, это потенциальный заказчик, которого перманентно душит жаба за каждый "лишний" элемент.