Cómo simular una fuente de corriente controlada por voltaje bidireccional

Aprenda a simular una fuente de corriente interesante construida alrededor de un amplificador operacional y un amplificador de instrumentación.

Este artículo, que forma parte de la Colección de circuitos analógicos de AAC, examina la operación y el rendimiento dinámico de una fuente de corriente construida alrededor de un amplificador operacional y un amplificador de instrumentación.

En un artículo anterior, presenté una interesante topología de fuente actual que encontré en una antigua nota de la aplicación Linear Tech. Como puede ver en el esquema a continuación, el amplificador de instrumentación en el bucle de realimentación del amplificador operacional hace que la salida del amplificador operacional genere una corriente de carga que es independiente de la resistencia de la carga.

El circuito ofrece una alta precisión y un buen rendimiento dinámico, y proporciona una relación agradable y directa entre el voltaje de entrada de control y la corriente de carga generada.

Antes de entrar en la operación y el rendimiento dinámico de la topología, veremos cómo se ve el circuito en LTspice.

Información relacionada

Para más información de fondo, por favor revise estos recursos:

La implementación de LTspice

La versión de mi LTspice del circuito se muestra a continuación.

• Afortunadamente, LTspice incluye macromodelos para los componentes exactos utilizados en el diseño original. Si desea incorporar diferentes amplificadores en este circuito, le recomiendo que elija las partes que tienen macromodelos acompañantes. Mi instinto me dice que este es el tipo de circuito que debe simularse antes de construirlo.
• Como puede ver, el pin 2 y el pin 7 del LT1102 están desconectados actualmente. Esto configura la parte para una ganancia fija de 100, y la función de transferencia resultante es yo_CARGA = V_CNTRL/ (R1 × 100). Si conecta el pin 2 a tierra y el pin 7 al pin 8, la ganancia del LT1102 será 10, en cuyo caso la función de transferencia se convierte en yo_CARGA = V_CNTRL/ (R1 × 10).
• El voltaje de control que se muestra en el esquema anterior es una rampa que se extiende desde –5 V a +5 V en un período de 100 ms. Esta tensión de control se utilizará para demostrar el rendimiento de baja frecuencia del circuito.

Operación de baja frecuencia

La gráfica a continuación muestra cómo reacciona la fuente de corriente a un voltaje de entrada que cambia lentamente. Como se esperaba, la corriente de carga aumenta linealmente de –5 mA a +5 mA.

Podemos estimar la precisión de baja frecuencia del circuito aplicando la función de transferencia matemática a la tensión de control y luego representando la diferencia entre la corriente de salida teórica y la corriente de salida simulada.

Por lo tanto, estamos viendo un error de aproximadamente 45 µV, con solo una pequeña variación en el rango de voltaje de entrada de –5 V a +5 V Esto me parece bastante bueno, considerando las diversas no idealidades que están presentes en los dos amplificadores (aunque no sé cómo se incorporan exactamente estas no idealidades en los macromodelos).

Este error asume, sin embargo, que R1 es exactamente 10 Ω. Dado que R1 (junto con la ganancia del amplificador de instrumentación) determina la constante de proporcionalidad entre la tensión de control y la corriente de salida, debe usar una resistencia de muy baja tolerancia si desea que la función de transferencia real replique la transferencia teórica función. Por otro lado, si esto es para un proyecto único o un prototipo o algo así, simplemente puede medir la resistencia de R1 y luego generar su voltaje de control basado en el valor de resistencia medido en lugar del valor ideal.

Ejecuté algunas simulaciones más con diferentes valores de resistencia de carga, y la tendencia general es que el error disminuya a medida que aumenta la resistencia de carga. Por ejemplo, el error en R_CARGA = 600 Ω es de aproximadamente 19 µV.

Rendimiento dinámico

Esta fuente de corriente se basa en una retroalimentación negativa, que implica inherentemente un cierto retraso asociado con el comportamiento de asentamiento, y los amplificadores tienen limitaciones de ancho de banda y velocidad de respuesta. En consecuencia, no deberíamos esperar que este circuito traduzca variaciones rápidas de voltaje de entrada en variaciones igualmente rápidas de corriente de salida.

Sin embargo, considerando todos los aspectos, la salida tiene una buena capacidad para reproducir cambios bruscos en el voltaje de control, y también es importante tener en cuenta que estos cambios bruscos no crean un timbre excesivo.

Para simular la respuesta dinámica, cambié la fuente de voltaje a un pulso que pasa de 0 V a 5 V con un tiempo de subida / caída de 1 µs. La señal de entrada se muestra a continuación, junto con la señal de corriente de salida resultante.

Rendimiento dinámico con R_CARGA = 600.

La nota de la aplicación Linear Tech describe la respuesta dinámica de este circuito como "bien controlada", y estoy de acuerdo. La corriente de salida aumenta y disminuye de manera uniforme, y una pendiente de 0,65 mA / µs no es nada de lo que quejarse. No hay ningún sonido en el borde ascendente o descendente, y la amplitud del rebasamiento es muy baja.

Un detalle interesante que noté se muestra en la siguiente trama. Después del flanco descendente, la corriente de salida tarda un tiempo (relativamente) largo en volver al valor esperado de 0 mA.

Comportamiento de recuperación con C = 0.05 µF.

Puede reducir este tiempo de recuperación al reducir el valor del capacitor, pero esto conduce a una respuesta transitoria que está menos "controlada":

Comportamiento de recuperación con C = 0.005 µF.

Conclusión

Con la ayuda de LTspice, hemos recopilado información útil sobre el rendimiento de la "fuente actual de Jim Williams" (como se explicó en el artículo anterior, este no es el nombre oficial, pero es más atractivo que el nombre utilizado en la aplicación). nota— “Fuente de corriente referida a tierra, programable en voltaje”).

Sería interesante ver cómo funciona este circuito con amplificadores que son un poco más “modernos”. Si realiza alguna simulación o prueba de banco con una implementación personalizada, no dude en compartir sus ideas y experiencias en la sección de comentarios a continuación.