Мощный линейный формирователь с одним источником питания

Tom Gay

EDN

В маломощных аналоговых приложениях с одним источником питания часто требуется точное управление напряжениями, намного превышающими напряжение положительной шины питания. Схема на Рисунке 1 позволяет умножать входное напряжение V_IN на коэффициент A, задаваемый резисторами R₁ и R₂. Выходное V_OUT напряжение равно AV_IN, где

Операционный усилитель получает питание от одного источника 5 В, а выходной каскад на дискретных компонентах работает от выпрямленного напряжения источника V_S, отвечающего требованиям приложения. Когда схема отдает или принимает ток, на выходе операционного усилителя устанавливается напряжение выше 1.9 В (транзистор Q₁ полностью закрыт), но ниже порогового напряжения N-канального MOSFET Q₃ за вычетом 1.2 В (падение напряжения на двух диодах). Когда V_IN увеличивается относительно заданного уровня, выходное напряжение операционного усилителя уменьшается, и постепенно открывается Q₁. Увеличивающееся падение напряжения на резисторе R₈ включает транзистор Q₂. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжения на двух входах операционного усилителя не станут одинаковыми. Уменьшение V_IN приводит к тому, что выходное напряжение операционного усилителя возрастает до значения, при котором Q₃ пропускает ток, достаточный для эффективного управления нагрузкой. Конденсаторы C₁, C₂  и C₃ необходимы для предотвращения самовозбуждения схемы.

Рисунок 1.	Эта простая схема позволяет управлять напряжениями, намного превосходящими напряжение положительной шины питания.

Эта схема, которая может использоваться в качестве мощного выходного каскада генераторов импульсов, обеспечивает времена нарастания и спада менее 15 мкс, практически не зависящие от напряжения питания V_S. Испытать эту схему можно с операционными усилителями LMC7101, LT1013 и AD8551. С любым из них схема будет способна отдавать в нагрузку токи до 5 А при напряжении V_S до 40 В. Одной из важных особенностей схемы является ее нечувствительность к допускам компонентов. При значениях R₁ и R₂, указанных на Рисунке 1, коэффициент A = 8. Сопротивление резистора R₉ зависит от напряжения V_S. Если использовать в схеме MOSFET с логическими уровнями управления, такие, например, как IRLZ34N, то из нее можно будет исключить элементы D₁, D₂, D₄, R₄, R₉ и C₄. В этом случае выход операционного усилителя подключается непосредственно к затвору Q₃, а сопротивление R₆ должно быть уменьшено, чтобы понизить напряжение базы Q₁ и сохранить положение «окна бездействия», в котором отключены оба транзистора Q₁ и Q₃. Диапазон допустимых входных напряжений операционного усилителя должен включать потенциал земли. Диод D₃ необходим только в тех случаях, когда истоки соединены с выходом. D₃ предотвращает прохождение обратного тока от внешнего источника через Q₂. Такая ситуация может возникнуть в случае, когда схема используется в приложении зарядного устройства аккумуляторов.