Токовая помпа Хоуленда

Принцип работы преобразователя напряжения в ток, известного как токовая помпа Хоуленда (Howland Current Pump), показан на рис. 1 [1 — 3]. Данный преобразователь давно знаком мне (неоднократно использовал в макетах научно – исследовательских разработок) как усилитель с отрицательной и положительной обратной связью. Его достоинством является то, что нагрузка заземлена.

Рис. 1. Реализация выходного каскада по схеме преобразователя напряжение-ток

Выходной ток в схеме равен Iвых=-R3Uвх/(R1R5). Если выполнить условие R5<<R4, R3=R4 и R1=R2, то выходное сопротивление будет определяться сопротивлением резистора R5, умноженным на относительный разбаланс моста R/Δ R (соответственно, R3 по отношению к R4 и R1 по отношению к R2):

Rвых=R5/(R/Δ R).

Как видим, чтобы получить небольшое выходное сопротивление требуется высокая точность резисторов моста. Если резисторы имеют отклонение от номинала 0,1%, то сопротивление R5=0,47 Ом будет трансформировано в эквивалентное выходное сопротивление не менее 470 Ом.

Таким образом, цепи обратной связи (положительной R2, R4 и отрицательной R1, R3) поддерживают постоянное соотношение между входным напряжением микросхемы DA1 и её выходным током (а не напряжением, как в классическом УМЗЧ!).

Разумеется, необходимо следить, чтобы выходное напряжение преобразователя напряжение-ток находилось в допустимых пределах:

Следует ожидать, что при таком схемотехническом решении не будут сказываться искажения типа ?ступенька? выходного каскада, работающего в классе АВ.

↑ Добавим композитности

Конечно, выходное сопротивление усилителя в 470 Ом совсем не впечатляет. Чтобы получить малое выходное сопротивление, применим ещё один операционный усилитель, который охватим общей компонентной отрицательной обратной связью (рис. 2).

Рис. 2. Функциональная схема УМЗЧ с токовой помпой Хоуленда

Общая ООС охватывает весь усилитель, включая входной каскад на маломощном ОУ DA1, и мощный преобразователь напряжение-ток на DA2. Коэффициент усиления по напряжению с входа усилителя составит Ku=1+R4/R3. Охват схемы общей ООС обеспечивает низкое выходное сопротивление (менее 0,05 Ом) во всем диапазоне рабочих частот усилителя. В результате стабилизируется коэффициент демпфирования нагрузки, который для Rн=4 Ом составит не менее 80, для Rн=8 Ом – 120.

Последнее позволяет надеяться на всеядность усилителя при работе с различными акустическими системами.

Поскольку каскад преобразователя напряжение-ток DA2 инвертирующий, то входы ОУ DA1 ?поменялись? местами: инвертирующий вход стал неинвертирующим и наоборот.

Конденсатор C3 в цепи ООС DA1 формирует частоту среза АЧХ последовательно соединённых каскадов DA1, DA2, обеспечивая устойчивую работу с замкнутой петлёй общей ООС.

Цепь C1, R1 образует ФВЧ с инфранизкой частотой среза (1,2…1,8 Гц, см. часть 1 проекта), а ФНЧ С2, R2 предотвращает попадание в усилитель помех, лежащих вне звукового диапазона, его частота среза выбирается в пределах 210…230 кГц.

Статья "Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда"

Итак, усилитель имеет следующие достоинства:

+ Усилитель имеет равномерную АЧХ в диапазоне от 2 Гц до 70 кГц.

+ Чистое звучание, как на малой, так и на большой громкости;

+ Работа с акустическими системами, представляющими неудобную нагрузку для усилителя.

https://datagor.ru/amplifiers/chipamps/2418-polnyy-uzch-na-mikroshemah-chast-5-4-howland-current-pump.html