Преобразователи ток-напряжение предназначены для работы с источниками тока. Идеальный источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление, а его выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки. Примером таких источников могут служить фотоэлементы: фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители. Их выходное сопротивление очень велико (хотя и имеет конечное значение), поэтому чем меньше сопротивление нагрузки, тем в большей степени они работают как источники тока. Использование фотоэлементов в режиме источника тока улучшает линейность световой характеристики, обеспечивает более высокое быстродействие, повышает стабильность параметров во времени и при эксплуатации.
Для современных операционных усилителей, имеющих коэффициент усиления Л порядка нескольких десятков тысяч, входное сопротивление преобразователя ток- напряжение составляет от долей до нескольких ом в зависимости от величины сопротивления резистора обратной СВЯЗИ Roc-
Рис. 25. Схема преобразователя ток-напряжение
Выходное напряжение преобразователя ток-напряжение пропорционально входному току / (ток источника), умноженному на сопротивление резистора обратной
СВЯЗИ Roc
Для повышения разрешающей способности преобразователя ток-напряжение необходимо, чтобы сигнальный ток превышал значение входного тока операционного усилителя. Поэтому при измерении малых токов следует применять операционные усилители с наименьшими входными токами (усилители с полевыми транзисторами на входе).
На рис. 25, б показана схема преобразователя ток-напряжение в паре с фотодиодом. При таком включении повышается быстродействие фотодиода, поскольку исключается влияние его собственной емкости за счет того, что он работает на очень низкоомную нагрузку.
Емкость фотодиода не определяет частотную характепистику непосредственно схемы. Эта характеристика определяется сопротивлением резистора обратной связи и проходной емкостью операционного усилителя, поэтому дая получения максимальной ширины частотной характеристики, верхняя граница которой ограничена частотной характеристикой самого ОУ, необходимо уменьшать сопротивление резистора обратной связи.
Нужно учитывать, что емкость фотодиода оказывает существенное воздействие на спектральную плотность шума На частотах, при которых емкостная составляющая полного сопротивления фотодиода становится меньше полного сопротивления обратной связи, происходит возрастание напряжения. Скорость возрастания зависит от соотношения между уровнем шума на входе операционного усилителя, уровнем шума фотодиода и шумовым сопротивлением резистора обратной связи. Дляумень-шення шумового напряжения резистор обратной связи шунтируется емкостью. Уменьшение сопротивления нагрузки для источника тока позволяет также повысить линейность световой характеристики.
Тогда выходное напряжение схемы будет равно
Включение фотодиода в фотогальваническом режиме (без напряжения смещения) на низкоомную нагрузку •(рис. 25, б) уменьшает температурный коэффициент интегральной чувствительности.
Еще одно достоинство такого включения — отсутствие темнового тока, что особенно важно в случае гальванической связи с последующими каскадами при измерении непрерывных световых потоков.
При измерении переменных (мудулированных) световых потоков и емкостной связи с последующими каскадами используется схема, приведенная на рис. А в. в которой фотодиод включен со смещением. В этом
случае снижается емкость и увеличивается интегральная чувствительность фотодиода, но появляется темновой ток фотодиода /фт, который очень сильно зависит от температуры.
Погрешность преобразователя ток-напряжение также определяется параметрами самого операционного
Рнс. 26. Преобразователь тока фотодиода в напряжение с входным каскадом на полевых транзисторах
(так как где /?ф — внутреннее сопротивление фотодиода.
Если нет операционного усилителя с малыми входными токами, можно использовать схему с дополнительными полевыми транзисторами на входе (рис. 26). Резистор R2 служит для балансировки выходного напряжения.
Конденсатор СЗ предназначен для уменьшения выходного шумового напряжения.
рис. 27. Фотореле
На рис. 27 представлена схема фотореле, в котором фотодиод включен на иеин-вертирующий вход. Эта схема пригодна для работы только на низких частотах, так как фотодиод генерирует ток всего в несколько микроампер, а для получения необходимого выходного напряжения, которое опрсделяется выражением
сопротивление резистора R2 и коэффициент передачи каскада, равный 1 + , должны быть достаточно большими.
При увеличении сопротивления резистора R2 емкость фотодиода будет значительно ограничивать частотную характеристику каскада, а при увеличении коэффициента усиления значительно увеличивается влияние входных погрешностей операционного усилителя.
постоянным ток стабилитрона независимо от тока нагрузки, значительно уменьшить выходное сопротивление и увеличить ток нагрузки, а также регулировать выходное напряжение опорного источника в широких пределах.
На рис. 28, а показана схема однополярного источника опорного напряжения, обеспечивающего выходное напряжение, величина которого выше напряжения стабилизации стабилитрона и может регулироваться в пределах от 10 до 25 В. В этой схеме операционный усилитель работает от одного источника питания +30 В. Отрицательный вывод источника питания заземлен, а па неинвертируюший вход ОУ подано смещение от стабилитрона. На выходе операционного усилителя включен эмиттерный повторитель на транзисторе V3 для увеличения выходного тока источника опорного сигнала. Сигнал обратной связи, подаваемый на инвертирующий вход ОУ, снимается с делителя (резисторы R4—R6). Изменяя глубину обратной связи положением движка потенциометра (резистор R4), можно регулировать выходное напряжение. Максимальная величина выходного напряжения ограничена напряжением насыщения транзистора V3 и диапазоном выходного напряжения ОУ. Минимальная величина выходного напряжения источника опорного напряжения ограничивается допустимым синфазным напряжением на входе ОУ и элементами делителя R4—R6. Резистор R7 защищает выход операционного усилителя от короткого замыкания. Транзистор V2
предназначен для защиты транзистора V3 при бросках тока, превышающих силу выходного тока источника опорного напряжения. Допустимая сила тока перегрузки устанавливается резистором R8. При силе тока нагрузки, превышающей допустимую, на резисторе R8 создается падение напряжения, достаточное для открытия транзистора V2, который ограничивает базовый ток транзистора V3. Для обеспечения нормальной работы источника опорного напряжения транзистор V3 должен иметь статический коэффициент усиления тока базы не менее 50— 100. Сила выходного тока источника опорного напряжения 100 мА.
При равенстве сопротивлений резисторов R3 и R5 положительное выходное напряжение равно отрицательному выходному напряжению источника двухполярного напряжения. В тех случаях, когда не требуются симметричные