Стабилизированный источник тока: принцип работы и применение в электронике

Что такое стабилизированный источник тока. Как работает стабилизированный источник тока. Где применяются стабилизированные источники тока. Какие преимущества дает использование стабилизированных источников тока.

Принцип работы стабилизированного источника тока

Стабилизированный источник тока — это электронное устройство, которое поддерживает постоянное значение выходного тока независимо от изменений нагрузки или входного напряжения. Основными компонентами стабилизированного источника тока являются:

• Источник питания (как правило, источник постоянного напряжения)
• Схема стабилизации тока
• Регулирующий элемент (транзистор или операционный усилитель)
• Цепь обратной связи

Принцип работы стабилизированного источника тока заключается в следующем:

1. На вход подается нестабилизированное напряжение
2. Схема стабилизации контролирует выходной ток с помощью датчика тока
3. Сигнал обратной связи сравнивается с опорным значением
4. Регулирующий элемент меняет свое сопротивление, поддерживая постоянный ток

Таким образом, выходной ток остается неизменным даже при колебаниях входного напряжения или сопротивления нагрузки.

Основные типы стабилизированных источников тока

Существует несколько основных типов стабилизированных источников тока:

1. Линейные стабилизаторы тока

Линейные стабилизаторы используют активный элемент (транзистор), работающий в линейном режиме. Они обеспечивают очень низкий уровень пульсаций, но имеют невысокий КПД.

2. Импульсные стабилизаторы тока

Импульсные стабилизаторы работают в ключевом режиме. Они более эффективны, но могут давать более высокий уровень шумов и пульсаций.

3. Гибридные стабилизаторы тока

Сочетают преимущества линейных и импульсных стабилизаторов. Обеспечивают высокую стабильность и приемлемый КПД.

Применение стабилизированных источников тока

Стабилизированные источники тока широко применяются в различных областях электроники и промышленности:

• Питание светодиодов и светодиодных лент
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Электрохимические процессы (гальваника, электролиз)
• Лазерные диоды и квантовые каскадные лазеры
• Измерительное оборудование
• Медицинская техника

Преимущества использования стабилизированных источников тока

Применение стабилизированных источников тока дает ряд важных преимуществ:

1. Постоянство выходного тока независимо от нагрузки
2. Защита нагрузки от перегрузки по току
3. Высокая точность и стабильность выходных параметров
4. Возможность плавной регулировки тока
5. Низкий уровень пульсаций и шумов

Эти преимущества делают стабилизированные источники тока незаменимыми во многих применениях, где требуется высокая стабильность тока.

Ключевые параметры стабилизированных источников тока

При выборе стабилизированного источника тока важно учитывать следующие ключевые параметры:

• Диапазон выходного тока
• Точность стабилизации тока
• Уровень пульсаций выходного тока
• Максимальное выходное напряжение
• КПД
• Диапазон входных напряжений

Правильный выбор этих параметров позволяет подобрать оптимальный источник тока для конкретного применения.

Схемотехнические решения для стабилизации тока

Существует несколько основных схемотехнических решений для построения стабилизаторов тока:

1. Схема на биполярном транзисторе

Простейший стабилизатор тока можно реализовать на одном биполярном транзисторе и резисторе в цепи эмиттера. Такая схема обеспечивает базовую стабилизацию, но имеет ограниченную точность.

2. Схема на операционном усилителе

Использование операционного усилителя позволяет создать более точный стабилизатор тока с лучшими характеристиками. ОУ сравнивает падение напряжения на измерительном резисторе с опорным напряжением.

3. Интегральные стабилизаторы тока

Современные интегральные микросхемы позволяют создавать компактные и эффективные стабилизаторы тока с минимумом внешних компонентов. Они часто включают защитные функции и возможность регулировки.

Проблемы и ограничения стабилизированных источников тока

При проектировании и использовании стабилизированных источников тока следует учитывать некоторые проблемы и ограничения:

• Тепловыделение на регулирующем элементе
• Ограниченный диапазон входных и выходных напряжений
• Возможность самовозбуждения в некоторых схемах
• Влияние паразитных емкостей и индуктивностей
• Температурный дрейф параметров

Понимание этих проблем позволяет разрабатывать более надежные и эффективные стабилизаторы тока.

Перспективы развития стабилизированных источников тока

Развитие технологий приводит к постоянному совершенствованию стабилизированных источников тока. Основные направления развития включают:

1. Повышение эффективности и снижение тепловыделения
2. Улучшение точности стабилизации тока
3. Расширение функциональности и возможностей управления
4. Миниатюризация и интеграция в сложные системы
5. Использование новых материалов и технологий

Эти тенденции открывают новые возможности применения стабилизированных источников тока в различных областях техники и электроники.

Стабилизированный источник питания постоянного тока GZT-h400S мощностью 300Вт

• ГЛАВНАЯ
• ПРОДУКЦИЯ
• ПУБЛИКАЦИИ
• КОНТАКТЫ

   (812) 703-09-81    (499) 642-60-67

Главная » Продукция » Источники питания постоянного тока » GZT-h400S

< Вернуться к выбору источников питания

Стабилизированный источник питания постоянного тока

GZT-h400S

Параметр	Значение
Мощность	300Вт
Выходное напряжение	12В; 24В; 36В; 48В; 72В
Размеры	50x115x226мм
Рабочее напряжение питания	AC 176…264В

Стабилизированные, нерегулируемые источники питания h400S предназначены для преобразования сетевого напряжения 220В 50Гц в стабилизированное постоянное напряжение. Источники питания используются — для питания приводов постоянного тока: коллекторных двигателей, шаговых приводов, бесколлекторных двигателей, а также для других устройств и приборов. Предлагаемые источники питания постоянного тока состоят из сетевого трансформатора, стабилизаторов и схем электронной защиты. На передней панели блока расположены клеммы для подключения нагрузки и сетевого напряжения 220В. Источники питания имеют схему электронной защиты от перегрузок, короткого замыкания и высокого напряжения.

Источник питания	GZT-h400S12	GZT-h400S24	GZT-h400S36	GZT-h400S72
Выходное напряжение	12В	24В	36В	72В
Выходной ток	25А	12.5А	12.5А	4А
Мощность	300Вт
Пульсации и шум	≤100 мВ	≤240 мВ	≤360 мВ	≤240 мВ
Точность	±3%	±3%	±3%	±3%
Эффективность	83%	82%	84%	80%
Диапазон регулирования выходного напряжения	±10% от номинального значения
Рабочее напряжение питания	AC 176. ..264ВВ
Защита от перегрузки по току	105% — 150%. Автоматическое восстановление.
Защита от перенапряжения	115% — 135%
Защита от короткого замыкания	Длительное время
Электрическая прочность	Между первичной и вторичной цепями: АС1500В в течение 1 мин. Между первичной цепью и землей: АС1500В в течение 1 мин. Между вторичной цепью и землей: DC500B в течение 1 мин.
Окружающая среда	0 — 50 град., 20~90%RH (без конденсации)
Стандарты безопасности	EN/UL60950
Стандарты электромагнитной совместимости	EN55022 Class B; EN61000-4-2/-3/-4/-5/-6/-11

Искусство схемотехники, Т.1

Искусство схемотехники, Т.1

Хоровиц П. , Хил л .У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с англ. — 4-е изд., перераб. и доп.-М.: Мир, 1993. Широко известная читателю по предыдущим изданиям монография известных американских специалистов посвящена быстро развивающимся областям электроники. В ней приведены наиболее интересные технические решения, а также анализируются ошибки разработчиков аппаратуры: внимание читателя сосредоточивается на тонких аспектах проектирования и применения электронных схем. Для специалистов в области электроники, автоматики, вычислительной техники, а также студентов соответствующих специальностей вузов и техникумов. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК И СОПРОТИВЛЕНИЕ 1.01. Напряжение и ток 1.02. Взаимосвязь напряжения и тока: резисторы ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗИСТОРЫ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ ФИРМЫ ALLEN BRADLEY, (СЕРИЯ АВ, ТИП СВ) 1. 03. Делители напряжения 1.04. Источники тока и напряжения 1.05. Теорема об эквивалентном преобразовании источников (генераторов) УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 1.06. Динамическое сопротивление СИГНАЛЫ 1.07. Синусоидальные сигналы 1.08. Измерение амплитуды сигналов 1.09. Другие типы сигналов 1.10. Логические уровни 1.11. Источники сигналов КОНДЕНСАТОРЫ И ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 1.12. Конденсаторы КОНДЕНСАТОРЫ 1.13. RС-цепи: изменения во времени напряжения и тока 1.14. Дифференцирующие цепи 1.15. Интегрирующие цепи ИНДУКТИВНОСТИ и ТРАНСФОРМАТОРЫ 1.16. Индуктивности 1.17. Трансформаторы ПОЛНОЕ И РЕАКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ 1.18. Частотный анализ реактивных схем 1.19. RC-фильтры 1.20. Векторные диаграммы 1.21. «Полюсы» и наклон в пределах октавы 1.22. Резонансные схемы и активные фильтры 1.23. Другие примеры использования конденсаторов 1.24. Обобщенная теорема Тевенина об эквивалентном преобразовании (эквивалентном генераторе) ДИОДЫ И ДИОДНЫЕ СХЕМЫ 1. 25. Диоды 1.26. Выпрямление 1.27. Фильтрация в источниках питания 1.28. Схемы выпрямителей для источников питания 1.29. Стабилизаторы напряжения 1.30. Примеры использования диодов 1.31. Индуктивные нагрузки и диодная защита ДРУГИЕ ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 1.32. Электромеханические элементы 1.33. Индикаторы 1.34. Переменные компоненты ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ 2.01. Первая модель транзистора: усилитель тока НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ 2.02. Транзисторный переключатель 2.03. Эмиттерный повторитель 2.04. Использование эмиттерных повторителей в качестве стабилизаторов напряжения 2.05. Смещение в эмиттерном повторителе 2.06. Транзисторный источник тока 2.07. Усилитель с общим эмиттером 2.08. Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом усиления 2.09. Крутизна МОДЕЛЬ ЭБЕРСА-МОЛЛА ДЛЯ ОСНОВНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ 2.10. Улучшенная модель транзистора: усилитель с передаточной проводимостью (крутизной) 2. 11. Еще раз об эмиттерном повторителе 2.13. Еще раз об усилителе с общим эмиттером 2.13. Смещение в усилителе с общим эмиттером 2.14. Токовые зеркала НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ 2.15. Двухтактные выходные каскады 2.16. Составной транзистор (схема Дарлингтона) 2.17. Следящая связь 2.18. Дифференциальные усилители 2.19. Емкость и эффект Миллера 2.20. Полевые транзисторы НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ 2.21. Стабилизированный источник напряжения 2.22. Терморегулятор 2.23. Простая логическая схема на транзисторах и диодах СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 2.24. Удачные схемы 2.25. Негодные схемы ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 3. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 3.01. Характеристики полевых транзисторов 3.02. Типы ПТ 3.03. Общая классификация ПТ 3.04. Выходные характеристики ПТ 3.05. Производственный разброс характеристик ПТ ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ПТ 3.06. Источники тока на ПТ с р-n-переходом 3. 07. Усилители на ПТ 3.08. Истоковые повторители 3.09. Ток затвора ПТ 3.10. ПТ в качестве переменных резисторов КЛЮЧИ НА ПТ 3.11. Аналоговые ключи на ПТ 3.12. Недостатки ПТ-ключей 3.13. Несколько схем на ПТ-ключах 3.14. Логические и мощные ключи на МОП-транзисторах 3.15. Необходимые предосторожности в обращении с МОП-транзисторами СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ГЛАВА 4. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ 4.01. Предварительные сведения об обратной связи 4.02. Операционные усилители 4.03. Важнейшие правила ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 4.04. Инвертирующий усилитель 4.05. Неинвертирующий усилитель 4.06. Повторитель 4.07. Источники тока 4.08. Основные предостережения по работе с ОУ КАЛЕЙДОСКОП СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ 4.09. Линейные схемы 4.10. Нелинейные схемы ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 4.11. Отличие характеристик идеального ОУ от реального 4. 12. Эффекты ограничений ОУ на работу схем на их основе 4.13. Микромощные и программируемые ОУ ПОДРОБНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ НЕКОТОРЫХ СХЕМ НА ОУ 4.14. Логарифмический усилитель 4.15. Активный пиковый детектор 4.16. Выборка-запоминание ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ 4.17. Активный ограничитель 4.18. Схема выделения модуля абсолютного значения сигнала 4.19. Интеграторы 4.20. Дифференциаторы РАБОТА ОУ С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ 4.21. Смещение усилителей переменного тока, использующих один источник питания. 4.22. Операционные усилители с одним источником питания. КОМПАРАТОРЫ И ТРИГГЕР ШМИТТА 4.23. Компараторы 4.24. Триггер Шмитта ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И УСИЛИТЕЛИ С КОНЕЧНЫМ УСИЛЕНИЕМ 4.25. Уравнение для коэффициента усиления 4.26. Влияние обратной связи на работу усилителей 4.27. Два примера транзисторных усилителей с обратной связью НЕКОТОРЫЕ ТИПИЧНЫЕ СХЕМЫ С ОПЕРАЦИОННЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ 4.28. Лабораторный усилитель общего назначения 4. 29. Генератор, управляемый напряжением 4.30. Линейный переключатель на полевом транзисторе с p-n-переходом, с компенсацией. 4.31. Детектор нуля для ТТЛ-схем 4.32. Схема измерения тока в нагрузке ЧАСТОТНАЯ КОРРЕКЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 4.33. Зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига от частоты 4.34. Методы коррекции усилителей 4.35. Частотная характеристика цепи обратной связи СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 4.36. Некоторые полезные идеи ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 5. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ 5.01. Частотная характеристика RC-фильтров 5.02. Идеальный рабочий режим LC-фильтров 5.03. Введение в активные фильтры: обзор 5.04. Критерии режима работы фильтра Ки 5.05. Типы фильтров СХЕМЫ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ 5.06. Схемы на ИНУН 5.07. Проектирование фильтров на ИНУН с использованием наших упрощенных таблиц 5.08. Фильтры, построенные на основе метода переменных состояния 5. 09. Двойной Т-образный фильтр-пробка 5.10. Построение фильтров на гираторах 5.11. Фильтры на переключаемых конденсаторах ГЕНЕРАТОРЫ 5.13. Релаксационные генераторы 5.14. Классическая ИС таймера-555 5.15. Генераторы, управляемые напряжением 5.16. Квадратные генераторы 5.17. Мостовые генераторы Вина и L С-генераторы 5.18. LС-генераторы 5.19. Генераторы с кварцевыми резонаторами СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ ГЛАВА 6. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ БАЗОВЫЕ СХЕМЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ИМС 723 6.01. ИМС стабилизатора 723 6.02. Стабилизатор положительного напряжения 6.03. Стабилизаторы с большими выходными токами ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛООТВОДА МОЩНЫХ СХЕМ 6.04. Мощные транзисторы и отвод тепла 6.05. Ограничители тока с обратным наклоном характеристики 6.06. Защита от больших напряжений 6.07. Специальные вопросы проектирования сильноточных источников питания 6. 08. Программируемые источники питания 6.09. Пример схемы источника питания 6.10. Другие ИМС стабилизатора НЕСТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 6.11. Компоненты линии переменного тока 6.12. Трансформаторы 6.13 Элементы схемы, работающие на постоянном токе ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 6.14. Стабилитроны 6.15. Источник опорного напряжения на стабилитроне ТРЕХВЫВОДНЫЕ И ЧЕТЫРЕХВЫВОДНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ 6.16. Трехвыводные стабилизаторы 6.17. Трехвыводные регулируемые стабилизаторы 6.18. Дополнительные замечания относительно трехвыводных стабилизаторов 6.19. Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 6.20. Высоковольтные стабилизаторы 6.21. Источники питания с малым уровнем помех и малым дрейфом 6.22. Микромощные стабилизаторы 6.23. Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами (зарядовый насос) 6.24. Источники стабилизированного постоянного тока 6. 25. Коммерческие модули источников питания СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

, постоянное напряжение и постоянный ток

Источник питания — это устройство, которое подает электрическую энергию на одну или несколько электрических нагрузок. В основном они бывают двух типов: источники напряжения и источники тока. В общем, «источник питания» часто означает источник напряжения, но есть также источники тока, которые обеспечивают постоянный ток.
Силовая цепь, преобразующая поступающую электроэнергию в требуемую форму и выдающая ее, называется «силовой цепью». Схемы электропитания можно условно разделить на «источники постоянного напряжения» и «источники постоянного тока».

Источник постоянного напряжения

Источник питания постоянного напряжения — это силовая цепь, которая регулирует выходное напряжение на постоянном уровне. Он всегда обеспечивает постоянное напряжение независимо от нагрузки и широко используется в источниках питания для электронных схем.
Большинство электронных схем рассчитаны на работу при постоянном напряжении, потому что они не могут справиться с неожиданными колебаниями напряжения.

Источник постоянного тока

Источник питания постоянного тока — это схема источника питания, которая регулирует выходной ток на постоянном уровне. Источники постоянного тока используются для питания светодиодного освещения и зарядки аккумуляторных батарей.
Яркость светодиодного освещения определяется текущим значением; поэтому, если текущее значение колеблется, соответственно изменяется и яркость. Хотя это не проблема для небольших светодиодных экранов, изменение яркости заметно для больших источников света, поэтому требуется стабильный ток.
Также при зарядке аккумуляторов напряжение и ток не пропорциональны из-за характеристик аккумуляторов. Следовательно, используется источник питания постоянного тока, так что ток подается независимо от напряжения, подаваемого на батарею.

Преобразование между источником напряжения и источником тока

Источники напряжения и тока могут быть эквивалентно преобразованы друг в друга. Когда напряжение, подаваемое на нагрузку, и ток, протекающий через нагрузку, одинаковы, источник напряжения и источник тока работают как имеющие одинаковое значение и функцию.
Другими словами, источник напряжения можно эквивалентно преобразовать в источник тока, выполняющий ту же работу для нагрузки, и наоборот.

Переменный импульсный источник питания

Некоторые блоки питания являются «импульсными источниками питания с переменным переключением», которые могут переключать режимы для включения различных выходов. В дополнение к режиму постоянного напряжения (CV) и режиму постоянного тока (CC) доступны такие режимы, как режимы постоянной мощности (CP) и постоянного сопротивления (CR) для обеспечения выходного сигнала в соответствии с приложением.

Схема источника постоянного напряжения показана ниже. Источник напряжения содержит источник питания и внутренние резисторы, которые соединены последовательно с источником питания. Напряжение на клеммах В _L выражается следующим образом:

V

_L ＝

E

₀ 　×

R

_L

р

₀ + Р _Л

　

Следовательно, когда внутреннее сопротивление r ₀ достаточно мало по сравнению с сопротивлением нагрузки R _L , V _L ≒E ₀ . Это приводит к постоянному напряжению на клеммах V _L независимо от тока нагрузки I _л .

Схема источника постоянного тока показана ниже. Внутреннее сопротивление источника постоянного тока параллельно источнику питания. Выходной ток I _L выражается следующим образом:

Когда внутреннее сопротивление r ₀ равно ∞, I _L ≒I ₀ . Это делает ток нагрузки I _L постоянным.

Блок питания, имеющий механизм поддержания V _L и I 9Константа 0032 L называется стабилизированным источником питания постоянного тока.
Типы источников питания постоянного тока включают «последовательно регулируемые источники питания», в которых цепь управления вставлена ​​между входом и выходом для стабилизации напряжения и тока, и «импульсные источники питания», в которых высокая частота создается за счет выключение и включение входа, а затем выпрямление и управление для стабилизации. Источники питания постоянного тока
в широком смысле подразделяются на «источники постоянного напряжения постоянного тока», чье выходное напряжение стабильно даже при изменении нагрузки, и «источники постоянного тока постоянного тока», чей выходной ток стабилен.
Программируемые источники питания постоянного тока автоматически переключаются в режим постоянного напряжения (CV) или в режим постоянного тока (CC) в зависимости от настроек напряжения и тока и подключенной нагрузки.
Для получения дополнительной информации о достоинствах и недостатках источников питания постоянного тока в зависимости от метода управления и устройств, с которыми они работают, перейдите по ссылкам ниже.

Что такое регулируемый источник питания постоянного тока (базовые знания)

Связанные технические статьи

• Что такое источник питания постоянного тока? (Базовые знания)
• Разница между питанием постоянного и переменного тока
• Что такое блок питания? (Базовые знания)
• Способ получения постоянного тока (DC)
• Типы аккумуляторов и характеристики　(базовые знания)

Рекомендуемые продукты

Источники питания постоянного тока Matsusada Precision доступны в виде источников постоянного напряжения (режим CV) и источников постоянного тока (режим CC), в зависимости от настройки.

А, стабилизированный прерывателем, обратная связь по току, усилитель нейронной записи

• Список журналов
• Рукописи авторов HHS
• PMC7970809

IEEE Solid State Circuits Lett. Авторская рукопись; доступно в PMC 2021 18 марта.

Опубликовано в окончательной редакции как:

IEEE Solid State Circuits Lett. 2019март; 2(3): 17–20.

Published online 2019 May 14. doi: 10.1109/lssc.2019.2916754

PMCID: PMC7970809

NIHMSID: NIHMS1531957

PMID: 33748689

Author information Copyright and License information Disclaimer

Advanced neural prosthetics requires high density neural recording and электроды для стимуляции, взаимодействующие с тканью. Для имплантируемого устройства площадь, потребляемая мощность и уровень шума являются ключевыми параметрами конструкции. Из-за низкочастотного характера записанных сигналов метод прерывания неизбежен для удовлетворения требований к шуму при сохранении небольшой площади и низкого энергопотребления. Однако прерывание приводит к значительному падению входного импеданса, что приводит к потенциальному затуханию нейронных сигналов, регистрируемых с миниатюрных электродов с высоким импедансом, и неприемлемо большому входному току, отбираемому от ткани. В этой работе представлен стабилизированный прерывателем усилитель с обратной связью по току (CFA) с входным импедансом, увеличенным до 3,0 ГОм. Усилитель имеет регулируемый коэффициент усиления по напряжению 40–60 дБ и регулируемую частоту среза верхних частот 0,5–5 Гц при потребляемой мощности 2,6·9.0132 μ Вт и коэффициентом шумовой эффективности (NEF) 3,2.

Ключевые слова: Прерывисто-стабилизированный, с высоким входным импедансом, маломощный, малошумящий, нейронный записывающий усилитель входное сопротивление велико на низких частотах [1–3]. Чтобы устранить влияние низкочастотного шума операционного усилителя и смещения постоянного тока, используется прерывание, при котором низкочастотные биосигналы преобразуются с повышением частоты в несущую частоту (f _ch ) вдали от смещения постоянного тока и мерцающего шума [4]. Преобразованный с повышением частоты сигнал после полосового усиления преобразуется с понижением частоты до исходной частоты, в то время как смещение по постоянному току и фликер-шум преобразуются с повышением частоты от этого сигнала. Тем не менее, прерывающие входные каскады страдают от низкого входного импеданса на постоянном токе из-за периодической зарядки и разрядки больших входных конденсаторов, значения которых задаются соображениями усиления. Входной импеданс постоянного тока более 1 ГОм необходим для уменьшения входного постоянного тока, который может повредить ткань [7] или повредить электроды, особенно в долгосрочных имплантатах. Кроме того, учитывая обычно большое значение импеданса электрода (например, около 100 МОм, близкое к постоянному току), больший входной импеданс нейроусилителя всегда полезен для уменьшения падения усиления из-за разделения входного напряжения между импедансами, что приводит к снижению чувствительности. . Одним из способов улучшить входное сопротивление схемы с прерывателем является использование конденсаторов с положительной обратной связью, включенных вокруг традиционного усилителя с емкостной обратной связью [5]. Петля положительной обратной связи потенциально может стать нестабильной, если требуется ГОм-сопротивление (). В прошлой работе была показана схема самокалибровки, которая контролирует емкость положительной обратной связи [6]. Альтернативным подходом является реализация буфера предварительной зарядки вспомогательного тракта, который уменьшает заряд, подаваемый электродами на входные конденсаторы, тем самым повышая входное сопротивление [7]. Входное сопротивление постоянному току в этих архитектурах ограничивается сверху минимальной емкостью (C1), которая удовлетворяет требованию усиления (). В этой работе представлена ​​архитектура усилителя с обратной связью по току, которая уменьшает входную емкость, тем самым достигая самого высокого входного сопротивления, о котором сообщается в литературе для усилителей с прерывателем ().

Открыть в отдельном окне

Повышение входного импеданса усилителей с прерыванием: (a) предшествующий уровень техники: положительная обратная связь, добавленная к усилителю с прерывателем с емкостной обратной связью, (b) предшествующий уровень техники: вспомогательный тракт с прямой связью, добавленный к входу емкостный усилитель с прерыванием обратной связи, (c) Предлагаемая схема: вспомогательный тракт с прямой связью, добавленный ко входу усилителя с прерыванием по току с обратной связью.

Предлагаемый нейронный усилитель () состоит из трех компонентов, а именно входного импеданса (Z _в ), усилитель обратной связи по току (CFA) и усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA). В усилителе с токовой обратной связью G _m1 и G _m2 образуют цепь прямого усиления, в то время как R _f1 и R _f2 создают резисторный делитель выходного напряжения, а ток обратной связи генерируется Gmf. Коэффициент усиления этой ступени определяется как (G _m1 /G _mf )(1+2R _f2 /R _f1 ), где в этой реализации G _m1 /G _mf = 10 и R _f2 /R _f1 = 5. Чтобы обеспечить небольшое изменение коэффициента усиления при наличии несоответствий процесса, для крутизн G _m1 и G _mf используется общая центроидальная компоновка. и для резисторов R _f2 и R _f1 . Для реализации Gm1 и Gmf () используются инверторные конструкции. Это позволяет снизить напряжение питания без ущерба для тока смещения. Таким образом, шум и энергопотребление могут быть снижены одновременно. Напряжение питания В _DDL (0,6 В) генерируется из основного напряжения питания V _DDH (1,2 В) с помощью встроенного DC-DC преобразователя с переключаемыми конденсаторами с КПД 90%.

Открыть в отдельном окне

Полная реализация усилителя с обратной связью по току, стабилизированного прерывателем

Открыть в отдельном окне

Подробная схема входного усилителя на крутизне проводимости: (a) G _m1 вместе с обратной связью усилитель проводимости G _mf и усилитель обратной связи постоянного тока сервопривода G _m4 , (b) Схема усилителя CMFB, дифференциальная и синфазная передаточные функции G _m1 .

Удаление источника хвостового тока в усилителе на основе инвертора может резко снизить коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), сделав дифференциальное и синфазное усиление равными на всех частотах. Однако усилитель с синфазной обратной связью (CMFB) может смягчить эту проблему, сдвинув угол фильтра верхних частот синфазного усиления ω _hP-cm к более высокой частоте от угла фильтра верхних частот дифференциального усиления ω _HP-diff (). Обрезка только модулирует дифференциальный сигнал, в то время как синфазный сигнал остается в основной полосе частот. Предлагаемый инверторный усилитель отбрасывает синфазный сигнал на частотах менее 8,6 кГц, усиливая модулированный дифференциальный сигнал на частоте 62,5 кГц. Сопротивления диапазона 1–100 ГОм (R _BLK , R _INT , R _DC и R _BIAS ), которые необходимы для смещения этого усилителя, реализованы с использованием резисторов с рабочим циклом (DCR) для достижения высокая линейность и шумовые характеристики [7]. Каждый такой DCR состоит из последовательно соединенных поликремниевого резистора R номиналом менее 1 МОм и N-МОП-ключа с затвором, управляемым независимым генератором импульсов с регулируемой скважностью (). Моделирование методом Монте-Карло DCR, сформированного из полирезистора 1 МОм, последовательно соединенного с NMOS-переключателем W/L=400 нм/180 нм, работающим с рабочим циклом 0,001, дает результат 3 σ значение 14 МОм, что эквивалентно отклонению на 1,4% от номинального значения 1 ГОм. Рабочий цикл может изменяться на 20 % из-за глобальных изменений процесса, что компенсируется включением перестраиваемых конденсаторных батарей в генераторы импульсов. Чтобы устранить смещение и дрейф постоянного тока, вносимые электродами, в конструкцию добавлен сервоконтур постоянного тока с обратной связью по току (DSL). Максимальное допустимое смещение электрода определяется соотношением G _м4 / G _м1 . В этой конструкции рассматривается типичное значение смещения электрода 50 мВ.

Необходимо тщательно рассмотреть стабильность предлагаемого усилителя, особенно с учетом двух контуров обратной связи по току, используемых для настройки усиления и устранения смещения входного постоянного тока. Обычные методы анализа устойчивости систем LTI (например, критерий Найквиста) не могут использоваться для периодических систем, изменяющихся во времени, таких как предлагаемый усилитель с прерыванием. Для изменяющейся во времени системы можно вывести набор уравнений состояния (динамическая матрица A(t )), которые описывают поведение системы во временной области. Начав с теоремы Флоке, можно показать, что необходимым и достаточным условием устойчивости является неположительность действительных частей всех собственных значений динамической матрицы [8]. Этот анализ выполняется на упрощенной блок-схеме, как показано на рис. Все производные собственные значения для этой системы неположительны, что обеспечивает устойчивость предлагаемой CFA. Вспомогательный предварительный заряд канала [7] используется для облегчения зарядки и разрядки входной емкости Cin, в которой преобладает емкость Миллера на входной клемме G 9. 0032 м1 . Однокаскадная ячейка крутизны используется в качестве буфера (Gm0) с рабочим циклом тока для экономии энергии. Необходимые тактовые сигналы CLKA и CLKB генерируются на кристалле с использованием генератора и схемы цифровой задержки, потребляющей 240 нВт.

Открыть в отдельном окне

Упрощенная блок-схема и анализ стабильности канальный нейронный имплантат. Усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA), следующий за входным каскадом прерывателя, усиливает сигнал до 20 дБ. Конденсатор С ₁ имеет фиксированное значение 1 пФ, а конденсаторная батарея C ₂ может быть запрограммирована на обеспечение регулируемого усиления в диапазоне 2–20 дБ.

CFA-усилитель с прерывателем изготовлен по технологии КМОП размером 0,18 мкм мкм (). Преобразователь постоянного тока достигает КПД 90%. Весь усилитель потребляет 2,6 мк Вт при напряжении питания 1,2 В. показывает измеренное усиление напряжения, входной импеданс и приведенный к входу шум в зависимости от частоты. Показаны передаточные функции для различных настроек усиления и угла верхних частот, а также для различных входных напряжений смещения. Обрезанное напряжение смещения появляется на входе усилителя в виде большого сигнала, который сжимает кажущееся малое усиление сигнала усилителя из-за 3 ^рд — нелинейности порядка. Одним из недостатков предложенной схемы является то, что разомкнутая природа Gm1 ограничивает общую линейность; следовательно, по сравнению с усилителями с емкостной обратной связью общие гармонические искажения (THD) этой схемы хуже. Ширина импульса для R _INT изменена с 0,7–7 нс для настройки углов верхних частот. Входное сопротивление достигает максимума 3 ГОм ниже 0,1 Гц. Для измерения входного импеданса пара внешних сопротивлений 100 МОм подключается последовательно с дифференциальными входами, а пара высокоимпедансных буферов напряжения с входным сопротивлением >1 ТОм используется для отвода напряжения на входе усилителя. . Измеренное буферизованное напряжение отражает делитель напряжения между входным импедансом усилителя и последовательными сопротивлениями 100 МОм вне кристалла. обобщает производительность этого входного каскада нейронного усилителя по сравнению с современными конструкциями, о которых сообщается. Сочетание коэффициента усиления по напряжению, шума, входного сопротивления, площади и потребляемой мощности являются оптимальными для данной конструкции, что подтверждает полезность предложенной схемы.

Открыть в отдельном окне

Измеренные передаточные функции: (a) коэффициент усиления по напряжению с различными настройками, (b) изменение коэффициента усиления по напряжению как функция входного напряжения смещения, (c) входной импеданс, (d) относительный входной шум.

Таблица I

Резюме производительности и сравнение с самыми современными биоптентийными усилителями

.......030398. -10.9 kHz

		Эта работа	[1] JSSC ’18	.	[4] АОСК ’15	[5] ISSCC ’16	[6] CICC ’17	[7] JSSC ’17
99
3	3	3	3.	3.	3.	3.	3.	3.	303030303030303030380.	303030303030303030380	LFP	EEG, LFP	ECG	AP, LFP
Technology		180 nm	180 nm	180 nm	65 nm	180 nm	180 nm	40 нм
Supply (V)		0. 6, 1.2	1.0	0.5, 1.0	0.5	0.2, 0.8	0.8	1.2
Channels		1	1	128	64	1	1	8
Input Referred Noise (μV rms ) Power/Ch (μW)		AP: 3. 2 LFP: 2.0	5.5 (250 Гц -10 кГц)	3,32 (0,5 Гц -12,7 кГц)	1,3 (1 Гц -500 Гц)	0,94 (0,5 Гц — 670 Гц)	8.269 (1,5 Гц — 470 Гц)	8.269 (1,5 Гц — 470 Гц) )	AP: 5.3 LFP: 1.8
		2.6 (a)	0.25	1.22 (c)	2. 3	0.79	0.255	2.8
NEF		AP: 3,2 LFP: 9,9	1,07	3,02	4,76	2,1	7,01	AP: 4,4 LFP: 7,4
3DB-Bandwidth
3DB-Bandwidth
1 Hz — 500 Hz	DC — 670 Hz	400 Hz	0.1 Hz — 5 kHz
Gain (dB)		41–59	25.6	37.5–52.9	Н/Д	50,8–57,8	34	25.7
CMRR (dB) THD (%) Area/Ch (mm 2 )		70	84	>60	88	85	66	77
		1,7 (B) (1,0 мВ PP, 1KHZ)	N/A	04. 904. 904. 9015 9013 904. 904. 904. 9015 9015. 904. 9015. 904. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015. 9015 9015 9015 3	. 1 кГц)	0,4 ​​(1 мВ pp, в 40 Гц)	0.3 (b) (1.5 mV pp,in 100Hz)	N/A	0.3 (80 mV pp,in 1 kHz)
		0.08 (a)	0.29	0.05	0. 025	1.0	0.581	0.069
Z in	DC	3.0 G Ω	∞	∞	28 MΩ	116 МОм (д)	200 GΩ	1.6 GΩ
	100 Hz	500 M Ω	200 MΩ	80 MΩ	N/A	N/A	10 GΩ	800 MΩ
Electrode Offset Removal		Current feedback DSL	AC coupled	AC coupled	DAC feedback DSL	No	DSL	RC integrator DSL

Open in a separate window

Потенциал действия (AF): ZUU Гц — указанная полоса пропускания, потенциал локального поля (LFP): l Гц — 200 Гц.

^(a) не включает схемы тактового генератора и преобразователя постоянного тока

^(b) установка максимального усиления,

^(c) рассматриваются только блоки LNA и PGA

^{только 5 каскадов LNA (d)}

^(e) ориентировочно.

Компактный нейроусилитель с обратной связью по току и высоким входным импедансом, стабилизированный прерывателем, с регулируемым коэффициентом усиления и углом верхних частот был продемонстрирован в 180-нм КМОП-процессе. Предлагаемая архитектура обеспечивает самый высокий входной импеданс, описанный в литературе для усилителя с прерывателем биосигнала, при сохранении конкурентоспособных характеристик шума и мощности.

Авторы выражают признательность за технические обсуждения и поддержку соавторам исследования профессору Эллис Мэн, профессору Донг Сонгу, профессору Джеймсу Вейланду и членам их исследовательской группы.

Эта работа была частично поддержана NSF под номером гранта 1343193 и NIH под номером проекта 5U01NS099703–03.

[1] Шен Л., Лу Н. и Сун Н., «Усилитель с инвертором, 1 В, 0,25 мкВт, с коэффициентом шумовой эффективности 1,07», IEEE J. Solid-Sate Circuits, vol. 53, нет. 3, стр. 896–905, март. 2018. [Google Академия]

[2] Park SY, Cho J, Na K и Yoon E, «Модульная 128-канальная Δ-ΔΣ аналоговая интерфейсная архитектура с использованием схемы выравнивания спектра для 1024-канальных трехмерных нейронных записывающих микросистем», IEEE J. Solid -Sate Circuits, vol. 53, нет. 2, стр. 501–514, февраль. 2018. [Google Scholar]

[3] Лопес С.М., Митра С., Путцейс Дж., Радукану Б., Баллини М., Андрей А., Севери С., Велкенхуйсен М., Ван Хуф С., Муса С. и Язичиоглу Р.Ф., «Электрод 966 нейронный зонд с 384 настраиваемыми каналами в 0,13 мк m SOI CMOS», IEEE ISSCC, 2016.

[4] Muller R, Le HP, Li W, Ledochowitsch P, Gambini S, Bjorninen T, Koralek A, Carmena JM, Maharbiz MM, Alon E and Rabaey JM, « Минимально инвазивный 64-канальный беспроводной имплантат μ ЭКоГ», IEEE J.