Операционные усилители, как правило, упрощают аналоговое проектирование. Возможно, иногда даже слишком упрощают?

Не поймите меня неправильно. Мне нравятся операционные усилители. Операционные усилители – среди моих лучших друзей. Они обладают таким широким спектром разнообразных возможностей, включая низкий уровень шума, большую мощность, микропотребление, нулевой дрейф, RRIO, высокую скорость и т. д., что их просто невозможно не полюбить. Они, как правило, упрощают аналоговое проектирование. Возможно, иногда даже слишком упрощают?

В этой конструкции используется принцип измерения изменения температуры ΔV_BE для превращения любого дешевого 3¾-разрядного цифрового мультиметра с диапазоном 300 мВ в точный, линейный цифровой термометр с разрешением 0.1 °C. В качестве (надеюсь) занимательного эксперимента, на этот раз это делается без использования операционных усилителей. Вот как это работает.

Измерение температуры, основанное на ΔV_BE, описано и использовано в руководстве по применению, написанном известным гуру аналогового проектирования Джимом Уильямсом. Смотрите страницу 7 [1]. Уильямс объясняет, что эффект ΔV_BE/°C зависит исключительно от отношения приложенных токов, независимо от их абсолютных величин, и имеет амплитуду 198 мкВ на каждое десятикратное изменение тока. 198 мкВ = 1 В/5050, поэтому на каждое десятикратное изменение тока 198 мкВ/°C дает

(Здесь CR – отношение токов). Следовательно, для любого выбранного значения ΔV_BE/°C требуемое

Таким образом, если мы хотим, чтобы ΔV_BE/°C = 1 мВ, решение предельно простое. Нам «всего лишь» нужно установить

Ужас!

Проблема, конечно, состоит в достижении такого экстремального отношения токов. Если с выхода коммутатора, подающего на датчик бóльший ток, поступает 1 мА, то ток другого канала должен быть очень (очень!) низким… примерно 1 мА/316,228 = 3.2 нА. Это потребовало бы использования гигаомных резисторов установки тока и мегаомных импедансов схемы. Так что, в конце концов, все не так просто, и на самом деле, скорее всего, непрактично – без операционных усилителей, разумеется.

Но давайте рассмотрим вот что. Если получить достаточный сигнал ΔV_BE от одного p-n перехода непрактично, почему бы не соединить N переходов последовательно и не суммировать их сигналы? Например, если N = 5, то для получения требуемого 1 мВ/5 = 0.2 мВ нам нужно всего лишь

Такое отношение весьма практично. Фактически, именно это и делает схема на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Коммутатор U1a и токовое зеркало Q2Q3 подают токи возбуждения с отношением 10.23:1 на последовательную цепочку из 5 транзисторов датчика. В результате формируется сигнал переменного тока 5 × 200 мкВ/°C = 1 мВ/°C, синхронно выпрямляемый коммутатором U1c.

Схема включает в себя фиктивную нагрузку D1R6, которая служит для балансировки токов, проходящих через два канала переключателя U1a, тем самым выравнивая потери напряжения на сопротивлениях открытых каналов. Любители токовых зеркал наверняка зададутся вопросом: как зеркало Q2Q3, состоящее из неподобранных транзисторов без вырождения эмиттера, может иметь точное отношение коэффициентов усиления? Ответ очевиден: не может. Но это не страшно. Оно ему и не нужно.

Помните, что Джим Уильямс говорил, что эффект ΔV_BE/°C зависит исключительно от отношения приложенных токов, независимо от их абсолютных величин. Поэтому усиление зеркала может изменяться, как ему заблагорассудится, не оказывая существенного влияния на точность измерения температуры.

Мультивибратор U1b обеспечивает переключение с частотой порядка 7 кГц для синхронного возбуждения и выпрямления сигнала датчика с коэффициентом заполнения около 33%. При этом используется тот факт, что сопротивление, видимое возбуждаемой прямоугольными импульсами цепочкой датчиков со стороны канала большего тока, в 10 раз меньше.

Если требуется более привычное отображение температуры в градусах Цельсия, а не Кельвина, просто подключите минусовой вывод цифрового мультиметра вместо земли к контакту, показанному на Рисунке 2, чтобы сместить 273 К до 0 °C:

Рисунок 2.	Этот прецизионный источник опорного напряжения преобразует кельвины в градусы Цельсия.

Говоря о вариациях, не влияющих на точность, то напряжение питания V+, например, может изменяться от 5 до 6 вольт, не ухудшая точность. Выходное сопротивление составляет примерно 2 кОм, поэтому подключение к входу цифрового мультиметра с типичным входным сопротивлением 10 МОм также не окажет никакого влияния. Кому вообще нужны операционные усилители? (Шутка!)

Спасибо, Джим!

1. Datasheet NXP 74HC4053
2. Datasheet Diodes TLV431