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电流电压变换电路工作原理(电流电压转换电路原理)

导语:每日一计·极简电压/电流变换电路设计

【任务】设计一个高输入阻抗,且使用元件很少,成本低廉的V/I转换电路,将0~5V电压信号无衰减地转换为0~20mA电流信号,以方便远程工业线路传输。

【构思】为什么设计要求高输入阻抗呢?为了使输入信号与输出信号不相互扰动及衰减。一提到高输入阻抗,这使人联想到“虚断”的运放或门极几乎不“吃”电流,只“吃”电压的运放。再在此,我尝试使用运放LM358来构造这个电路。运放跟随器可将电压信号“毫无保留”地送给后级,而三极管可将运放输出的小电流放大为大电流,可以将运放跟随器与三极管开关电路(在这里用S9014管)组合成前后级实现V/I转换。运放跟随器如图1,最简单的三极管放大电路如图2。

显然,必须设法将上面两个单元电路组合起来才有可能实现设计要求。首先想到运放输出与三极管基极输入相连(这是通常的电路分级),成为下面的图3:

但上面的电路存在一个问题:流过负载RL的电流信号(0~20mA)没有与输入电压信号Ui(0~5V)直接关联,并没有形成全局的负反馈,受元件参数离散性即温飘的影响,这个电路无法实现精准稳定的V/I转换。因此,运放的负反馈必须从负载电流取,而R4有一端接地,从这个电阻上去反馈信号计算很方便,也很精准地反映了负载电流的变化(Ie≈Ic)。于是构造电路如下图4。

【计算】根据跟随器的特性,负载电流IL≈Ui/R4。为实现0~5V的与0~20mA的对应转换,R4=5/20=250Ω(电流取样电阻,如果手上没有合适的250Ω 0.02%的精密电阻,可使用249Ω 1%的精密电阻,误差稍大些,不影响功能实现)。不妨取R1=R2=100k(这是运放设计典型阻值)。9014三极管的B档放大倍数为100~300,取中间值200,当负载电流为最大值20mA时,基极电流Ib=20/200=0.1mA,于是R3=(5-0.7)/0.1=43k(VCC=5V,假设运放输出满轨)。最终设计完成的电路如下图5所示。

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