Warum ist diese digitale Ausgangsschaltung nicht linear zur Last?

Ich simuliere einen DAC, der 0-20 mA ausgibt, aber in der Praxis variiert der Ausgang je nach Last des 300-Ohm-Widerstands. Wenn ich einen 1k-Ohm-Widerstand verwende, erhalte ich einen anderen Ausgangsstrom.

Wenn Sie das folgende Schema nicht verstehen, kann ich Ihnen sagen, dass diese Schaltung eine Rückkopplungsschaltung ist.

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Dies ist ein P-Gain-Regler. Es verwendet zwei Transistoren - einen NPN und einen PNP, um den Strom von der 24-V-Stromversorgung durchfließen zu lassen.

Ich könnte nur einen NPN-Transistor verwenden, aber dann wäre die Basisspannung des NPN-Transistors sehr hoch, zB 24V-0.6V. Daher verwende ich einen PNP mit einem NPN-Transistor, sodass der NPN-Transistor releasingder "Druck" an der Basis des PNP-Transistors ist, sodass Strom vom Emitter zum Kollektor fließen kann.

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Und das ist die Rückkopplung, bei der wir den Spannungsabfall über dem 160-Ohm-Widerstand messen.

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Versuchen Sie, die Last des 300-Ohm-Widerstands zu ändern, und ändern Sie die Eingangsspannung von 1,0 V auf zB 3,3 V und ändern Sie dann die Last. Warum ändert sich der Stromausgang? Sollte diese Schaltung nicht eine Rückkopplungsschaltung sein?

Link zur Simulation

Was denkst du darüber?

Dieses Sziklai-Paar fügt eine enorme Menge an Schleifenverstärkung hinzu. Ich würde sagen, das wäre in der realen Welt hoffnungslos instabil.
Ihr Sziklai-Paar fügt der Schleife viel Gain und auch eine erhebliche Verzögerung hinzu. Das wird sehr schwer zu stabilisieren sein.
@DaveTweed Also, was soll ich tun? Beachten Sie, dass dieses "Sziklai" 10k Widerstände enthält.
Ja, die Basiswiderstände verschärfen nur das Verzögerungsproblem. Wenn Sie auf dieser Schaltungskonfiguration bestehen, können Sie versuchen, ihre Verstärkung zu verringern, indem Sie einige Emitterwiderstände hinzufügen (lokale negative Rückkopplung). Reduzieren Sie auch die Verstärkung des oberen Operationsverstärkers.
@DanielMårtensson Ich würde damit beginnen, die Schaltung in einen Emitterfolger umzuwandeln, damit sie keine Spannungsverstärkung liefert.
@Unwichtig Also sollte ich keine Operationsverstärker verwenden? Sorry, ich verstehe deine Lösung nicht.
@DaveTweed Also werde ich nur 1 Operationsverstärker verwenden?
Eine Stromspiegelkonfiguration für den oberen Passtransistor könnte sinnvoller sein.
@DaveTweed Ersetzen Sie also diese NPN und PNP durch eine aktuelle Spiegelkonfiguration?
Bilder aktualisiert
@DanielMårtensson Ich habe keine Ahnung, welche Stromversorgungsschienenwerte an die Operationsverstärker geliefert werden. Mein erster Eindruck stimmt mit der früheren Idee überein, das NPN auf eine Emitterfolgeranordnung umzustellen. Aber genau hingeschaut habe ich noch nicht.
@DanielMårtensson Nun, es gibt zumindest ein paar Probleme. Sie bringen die Tatsache zur Sprache, dass Sie eine lastabhängige Variation sehen. Nun, das ist durchaus zu erwarten. Eine höherwertige Last erfordert einen größeren Spannungsabfall. Dieser zusätzliche Spannungsabfall erzeugt jedoch auch mehr Strom in den 10 k-Widerständen, die vom Operationsverstärkerausgang angesteuert werden, und dies "stiehlt" Strom von der Last weg. Ihr 160-Ohm-Widerstand misst genau die Summe , misst jedoch nicht den Laststrom. Wenn also mehr Strom umgeleitet wird (weil die Last einen höheren Spannungsabfall erfordert), wird die Last geringer.
"Der Ausgang variiert je nach Belastung des 300-Ohm-Widerstands. Wenn ich einen 1k-Ohm-Widerstand verwende, erhalte ich einen anderen Ausgangsstrom." - Um wie viel unterscheidet es sich?
@BruceAbbott Versuchen Sie den zweiten URL-Link und ändern Sie die Last.
+1 für die bildliche Erklärung (NPN-Transistor gibt den "Druck" frei:)
@Circuitfantasist Danke. Siehe den zweiten URL-Link.
@Daniel Mårtensson, Tolles Design ... besonders wenn Sie einen Shunt-Widerstand an den Basis-Emitter-Übergang des PNP-Transistors anschließen! Übrigens, was ist mit der Stromversorgung des Operationsverstärkers? Was ist das - Single, Split, +-15 V, +24 V...?
@Circuitfantasist Es ist ideal -0 bis +24 Spannung. Danke schön. Aber ich denke, ich werde mit Daves Design gehen. Scheint mit weniger Komponenten viel besser zu sein :) Ich mag es nicht, zwei Operationsverstärker zu haben, die "miteinander sprechen". Kaskadenrückkopplung (mehrere in Reihe geschaltete Regler) ist in der Realität sehr empfindlich.
@Daniel Mårtensson, übrigens, was ist dein Boden?
@Circuitfantasist Ja. Es ist ein idealer Operationsverstärker und geht davon aus, dass er immer mit Masse verbunden ist.
@Daniel Mårtensson, ich nehme an, Sie haben nur eine Stromversorgung, zum Beispiel eine 24-V-Batterie. Ihr Operationsverstärker hat zwei Versorgungsanschlüsse, nennen Sie sie V + und V-. Meine Frage ist: "Wo sind sie verbunden?" Dann gibt es an drei Stellen in Ihrem Schaltkreis ein Erdungssymbol. Meine Frage ist: "Wo sind sie verbunden? Ich möchte nur wissen, ob Sie eine Ahnung davon haben ... nur weil das mein Job ist ...
@Circuitfantasist Entschuldigung, ich verstehe Ihre Frage nicht. Bitte werfen Sie einen Blick auf den URL-Link oben :) Dann werden Sie sehen, dass es sich um eine Falstad-Simulation handelt. Es ist nicht das beste, aber es funktioniert und es ist wirklich einfach.
@Daniel Mårtensson, OK, nur eine Frage und ich lasse Sie in Ruhe: Gibt es neben dieser +24-V-Quelle eine andere Quelle (z. B. -24 V) in Ihrer Schaltung?
@Circuitfantasist Nein. Ich habe keine -24. Doppelklicken Sie auf den Operationsverstärker und Sie sehen die Einstellungen :)

Antworten (3)

Ein besserer Ansatz wäre die Verwendung eines High-Side-Stromspiegels, mit dem Sie Ihre Strommessung auf der Low-Side durchführen können, wodurch die Schaltung erheblich vereinfacht wird.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Schön, löst auch das Stabilitätsproblem.
Eine schöne Lösung ... Wir können es überall sehen - von klassischen dynamischen Laststufen bis hin zu ausgeklügelten CFA-Ausgangsstufen ... Ich weiß nicht, warum ich Bedenken habe, es in solchen Schaltungen mit diskreten Elementen zu verwenden ... es scheint immer noch so zu sein mir, dass es für die Verwendung in den internen Strukturen von integrierten Schaltungen vorgesehen ist.
Wow! Hervorragende Lösung! Ich mag das!
David! Was halten Sie davon, Ihren NPN durch einen NPN + PNP-Transistor wie diesen zu ersetzen? tinyurl.com/ygxwxjmj
@DanielMårtensson Jetzt fügen Sie diese massive Loop-Verstärkung wieder hinzu und destabilisieren die Dinge ohne guten Grund.
@Unwichtig Es ist also besser, einen Operationsverstärker zu verwenden, der eine höhere Spannung als 3,3 V ausgeben kann?
Warum würdest du das tun? Es ist völlig unnötig.

Ich simuliere einen DAC, der 0-20 mA ausgibt, aber in der Praxis variiert der Ausgang je nach Last des 300-Ohm-Widerstands. Wenn ich einen 1k-Ohm-Widerstand verwende, erhalte ich einen anderen Ausgangsstrom.

Entsprechend Ihrer Simulation; bei einer Last von 300 Ω beträgt der Ausgangsstrom 6,206 mA, bei einer Last von 1 kΩ jedoch 5,999 mA (0,207 mA weniger). Wir sehen, warum das so ist, wenn wir uns den Strom ansehen, der durch die rechten 10k-Widerstände fließt. Bei 300 Ω Last sind es nur 0,043 mA, bei 1 kΩ Last aber 0,25 mA (0,207 mA mehr). Der Grund dafür ist, dass die 1-kΩ-Last mehr Spannung abfällt (6 V gegenüber 1,86 V), wodurch die Spannung über den 10k-Widerständen erhöht wird. Der erfasste Strom ist in beiden Fällen derselbe, enthält jedoch den Strom durch die 10k-Widerstände. Daher erhält die 1-kΩ-Last weniger Strom als die 300-Ω-Last, da ein größerer Teil des erfassten Stroms von den 10k-Widerständen „gestohlen“ wird.

Sie können diesen Ladeeffekt eliminieren, indem Sie die Spannung des Erfassungswiderstands wie folgt puffern: -

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Versuchen Sie, diese 10k-Ohm-Widerstände auf zB 200k zu erhöhen. Sie haben also nur einen Operationsverstärkerpuffer platziert? Ich finde deine Lösung gut :)

... in der Praxis variiert der Ausgang je nach Belastung des 300-Ohm-Widerstands. Wenn ich einen 1k-Ohm-Widerstand verwende, erhalte ich einen anderen Ausgangsstrom.

Dies bedeutet, dass Ihre Schaltung aus irgendeinem Grund ihren Hauptzweck, einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten, nicht erfüllt.

Konzeptionell ist die Schaltungslösung richtig. Da die Last geerdet ist, wird der Strom über einen "schwebenden" Strommesswiderstand auf der High-Side gemessen ... und dies erfordert die Verwendung eines Differenzverstärkers.

Die beiden Transistoren bilden nicht gerade ein Sziklai-Paar, weil der Emitter des NPN-Transistors und der Kollektor des PNP-Transistors getrennt sind ... aber das ist hier nicht so wichtig.

Das Problem dabei ist meiner Meinung nach, dass der PNP-Transistor nicht zuverlässig abgeschaltet werden kann, wenn der NPN-Transistor abgeschaltet wird (warum habe ich hier erklärt ). Dieses Problem kann gelöst werden, indem ein Widerstand (wenige k) zwischen Basis und Emitter geschaltet wird und eine "verschiebende" Zenerdiode in Reihe zum Basiswiderstand hinzugefügt wird.

Außerdem sollte der PNP-Transistor immer im aktiven Modus sein (mit einem gewissen Spannungsabfall V CE > 1 V). Suchen Sie in Google mit "Current Source Compliance Voltage".

BEARBEITEN: Ich möchte die Schaltungslösung von Dave (durch einen Stromspiegel) betrachten, indem ich sie mit der Lösung des OP vergleiche. Auf den ersten Blick sind sie völlig unterschiedlich, aber ich werde versuchen, Sie davon zu überzeugen, dass sie in gewisser Weise gleich sind.

Beide lösen das gleiche topologische Problem – sie kehren die Richtung des Kollektorstroms des NPN-Transistors um . In der OP-Lösung tut dies der bescheidene PNP-Transistor, weil sein Kollektorstrom die entgegengesetzte Richtung zum Basisstrom hat. Im klassischen Stromspiegel von Dave tut dies die PNP Q3. In Bezug auf die Stromrichtung fungieren beide also als * Strominverter "... beide sind Stromspiegel ...

In Bezug auf die Stromstärke ist der "1-Transistor-Stromspiegel" des OP (wie jeder BJT) ein Verstärker (Ic = beta.Ib), während der klassische Stromspiegel von Dave ein Follower ist. Es ist interessant zu sehen, wie dieser Stromverstärker dazu gebracht wird, als Nachfolger zu fungieren, da die Entschlüsselung dieses Geheimnisses ein mögliches Szenario für die Erfindung des Stromspiegels wäre (sehr wichtig für das Verständnis).

Der Trick ist einfach: Der zu hohe Basisstrom wird durch ein zusätzliches Element abgeleitet, das parallel zum PNP-Basis-Emitter-Übergang (Stromteiler) geschaltet ist . Im einfachen Fall kann es ein Widerstand sein (wie ich oben vorgeschlagen habe). Nur der Widerstand ist linear, während der Basis-Emitter-Übergang nicht linear ist und sein Widerstand sorgfältig eingestellt werden sollte (immer noch wird er in MOSFET-Stromspiegeln verwendet).

Eine Diode kann als gutes Ableitelement dienen, da der Basis-Emitter-Übergang eigentlich eine "Diode" ist ... aber sie sind nicht genau gleich. Das perfekte Ableitelement ist ein als Diode geschalteter Transistor, die sogenannte "aktive Diode" (Q2).

Am 8. April 2008 führte ich drei aufeinanderfolgende Labore durch, die sich dieser Art von Transistorstromquellen widmeten. Danach habe ich mit Hilfe meiner Schüler drei spannende Wikibooks-Geschichten darüber geschrieben, wie sie und ich die berühmte Stromspiegelschaltung „erfunden“ haben:

Bau der einfachsten Transistorstromquelle

Abb. 1. Aufbau der einfachsten Transistorstromquelle

Versuch, einen Diodenstromspiegel zu erstellen

Abb. 2. Versuch, einen Diodenstromspiegel zu erstellen

"Erfindung eines BJT-Stromspiegels

Abb. 3. „Erfindung eines BJT-Stromspiegels

Um sie zu schreiben, habe ich diese "Lab Brainstorming Sessions" auf einem Solid-State-Recorder aufgezeichnet und im Labor Fotos gemacht.

Als Schlussfolgerung

Grundsätzlich machen beide Schaltungen dasselbe - sie messen den Laststrom, indem sie den Spannungsabfall an einem stabilen (160 Ohm) Strommesswiderstand messen. Der Unterschied besteht darin, dass sich der "verstärkende Stromspiegel" des OP innerhalb der negativen Rückkopplungsschleife befindet, während sich der wahre Stromspiegel des Dave außerhalb der Schleife befindet. Ersteres kann also unvollkommen sein, während letzteres perfekt sein muss. Aus dieser Sicht kann man zu dem paradoxen Schluss kommen, dass die OP-Schaltung in gewisser Weise besser ist :)

Das Problem des einfachen BJT-Spiegels ist, dass er auf der passiven Kompensation (ohne Gegenkopplung) basiert. Aber auch der einfache Operationsverstärker-Differenzverstärker basiert auf diesem passiven Prinzip und erfordert eine genaue Anpassung der vier Widerstände.

Ein großes Problem bei der Konstruktion ist eigentlich die Messschaltung. Der von der Last abgezogene Strom variiert, wenn die Lastspannung variiert (aufgrund von Laständerungen). Es wird also niemals richtig sein. Was das OP tun sollte, ist, einen festen Strom von beiden Seiten des Messwiderstands wegzuziehen. Dies bedeutet eine ständig aktuelle Spiegelsituation (voller Wilson wäre schön) als die einzige wirkliche Allee. Dieser Strom kann auf einen akzeptablen "Offset" -Wert eingestellt werden und ändert sich dann NICHT, wenn sich die Lastspannung ändert. Holen Sie sich zuerst die richtigen Grundlagen. Dann mach den Rest, denke ich.
Aber ich verwende ein NPN, das die Spannung am Gate für den PNP-Transistor "entlädt"?
Was haltet ihr von dieser Lösung? Ich habe es ein wenig modifiziert. tinyurl.com/yhchx87f
@jonk Ich habe das gelöst, indem ich stattdessen 200-kOhm-Widerstände ausgewählt habe. Schauen Sie sich meinen URL-Link über diesem Kommentar an. Jetzt funktioniert die Schaltung.
Es unterscheidet sich nur um 0,1 mA, wenn ich eine zu große Last (2k) verwende. Das kann ich akzeptieren.
@Daniel Mårtensson, Wenn dies das Problem war und Sie die perfekte Lösung suchen, platzieren Sie anstelle des einfachen Differenzverstärkers (+ 2 Operationsverstärker) einen Instrumentenverstärker.
@DanielMårtensson Dann ist das in Ordnung. Nur Sie könnten sagen, ob eine Erhöhung der Widerstände in Ordnung wäre. (Operationsverstärker haben ihre eigenen Bias-Ströme, mit denen sie fertig werden müssen.) Die Erhöhung ihrer Werte mit einem idealen Operationsverstärker wäre die offensichtliche Wahl. Aber die Realität trifft normalerweise zu. Daher bevorzuge ich die Verwendung von mindestens vier BJTs in einer solchen Anordnung (oder einem MC1496, was ein anderer Ansatz ist).
@jonk Danke. Glaubst du, meine Lösung wird funktionieren? Oder wird es in der Realität instabil sein?
@DanielMårtensson Kann ich nicht sagen, habe nicht genug darüber nachgedacht. Mal kurz in den Laden...
@jonk Aber du sprichst von einer aktuellen Spannungskonfiguration. Wie kann das diese Schaltung oben ersetzen? Hat es Feedback?
@DanielMårtensson Ich bin mir nicht sicher, was du meinst. Ich weiß, was ich meinte, weil ich es schon einmal benutzt habe. Vielleicht bringe ich Sie zum Nachdenken, wenn ich Ihre Worte mehr wirken lasse. Momentan verfehle ich jedoch den Punkt.
@jonk Kannst du eine einfache Demonstration machen, wie du einen DAC konstruieren würdest? 0-3,3 V bis 0-20 mA ish ...?
@jonk Versuchen Sie, Falstad zu verwenden. Sehr leicht und einfach. Nicht die beste, Dock.
@DanielMårtensson Ich hasse Falstad! Ich werde es für nichts verwenden. Einige hier lieben es aber. Nur ich nicht. Dave Tweed hat eine sehr einfache (wenn auch stark vom Early Effect abhängige [leicht zu behebende]) Methode bereitgestellt, die gut funktioniert. Auch spannungsgesteuert. Gibt es einen Grund, dass es nicht das ist, was Sie wollen?
@Daniel Mårtensson, Warum probierst du nicht auch die Howland-Stromquelle (Spannungs-Strom-Wandler) aus? Es liefert eine geerdete Last, wie Sie es wünschen. Sie können bei Bedarf einen einfachen Emitterfolger am Ausgang des Operationsverstärkers hinzufügen ...
@Circuitfantasist Kannst du mir eine 0-20mA-Simulationsschaltung zeigen? Falstad funktioniert einwandfrei. :)
@Daniel Mårtensson, Entschuldigung, ich bin kein Schaltungsdesigner; Ich bin nur ein Schaltungsdenker :) Siehe Was ist die brillante Idee hinter der Howland-Stromquelle? .
@Circuitfantasist Welchen Widerstand dieser Widerstände sollte ich verwenden? tinyurl.com/ygvv9ql6
@Daniel Mårtensson, +1 für die Beharrlichkeit :) Der geerdete 1k-Widerstand (300 Ohm) ist die Last, nicht wahr? Die rechten 10 k sollten wie die linken 160 Ohm haben (siehe die Formeln in meinen Erläuterungen). Dies wäre eine zu starke Belastung für den Operationsverstärker; Daher sollten Sie den Ausgang des Operationsverstärkers mit einem Emitterfolger puffern. Übrigens, was ist der Mindestlastwiderstand? Sie sollten auch sehen, wie hoch der Ausgangsstrom des DAC wäre ...
Warum ist diese digitale Ausgangsschaltung nicht linear zur Last?
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