電流轉(zhuǎn)電壓電路設(shè)計(jì)應(yīng)用

 作為電子工程師，在職業(yè)生涯中會(huì)碰到各種各樣的問(wèn)題，其作用就是利用所學(xué)的知識(shí)解決各種問(wèn)題。當(dāng)進(jìn)行以電流形式輸出的傳感器電路設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)通過(guò)以下的步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：首先電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后進(jìn)行電壓變換使其適合MCU處理的電壓范圍。從上面的步驟看出電流轉(zhuǎn)換電壓是電流形式輸出傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。下文將從簡(jiǎn)單到復(fù)雜進(jìn)行電流轉(zhuǎn)電壓電路的分析。

首先，看下經(jīng)典的電流轉(zhuǎn)換電壓靜電電路，通常使用一個(gè)運(yùn)放和一個(gè)反饋電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)，如下圖所示：

當(dāng)設(shè)置輸入電流源為1Hz電流強(qiáng)度為1mA時(shí)，在multisim上仿真結(jié)果如下：

從仿真的結(jié)果上可以看出，該電路完成了電流與電壓的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行了信號(hào)的放大。雖然完成了設(shè)計(jì)的初衷，當(dāng)深入的分析一下，會(huì)有另一番風(fēng)景。

在電流轉(zhuǎn)換電壓電路中，一個(gè)重要的參數(shù)就是靈敏度，如上圖，經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器將0.001A的電流轉(zhuǎn)換為2V的電壓，就可以定義該電路的靈敏度為2V/ma，也就是說(shuō)電流轉(zhuǎn)換電壓的電路，輸出電壓大小與電路的靈敏度有關(guān)。

上圖的電流轉(zhuǎn)換電壓電路的反饋元件是電阻，而實(shí)際上，可以采用電阻、電容和電感的各種組合，其一般的表達(dá)式為：

Vo(s)=-Z(s)*Ii(s)

在實(shí)際使用時(shí)，有的時(shí)候需要高靈敏度的電流電壓轉(zhuǎn)換電路，如果按照上圖的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用大點(diǎn)的反饋元件即可，但是這也為后續(xù)的設(shè)計(jì)和方案的一致性埋下了失敗的伏筆：反饋元件數(shù)值越大，如果精度相同，那么一致性會(huì)大打折扣。比如對(duì)于上面的電路，采用5%的1kΩ的電阻，其有效值范圍為950-1050Ω，如果換為1MΩ的5%的電阻，其有效值范圍為9500-10500Ω。為了解決類(lèi)似的問(wèn)題，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中會(huì)采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)的電流電壓轉(zhuǎn)換電路，如下如

利用基爾霍夫電流定律，可以求得

Vo=-(1+R2/R1+R2/R3)*R1*I(i)

這樣，就可以利用數(shù)值較低的元件完成靈敏度較高的電流電壓轉(zhuǎn)換電路。利用multisim仿真結(jié)果如下：

除了在飯反饋網(wǎng)絡(luò)上下功夫，還要考慮另外一個(gè)因素：運(yùn)放的輸入偏置電流。

所謂的輸入偏置電流就是保證放大器工作在線(xiàn)性范圍，為放大器提供直流工作點(diǎn)的電流。對(duì)于采用三極管作為運(yùn)放輸入極的運(yùn)放來(lái)說(shuō)，輸入偏置電流就是基極的電流。如果設(shè)計(jì)高靈敏度的電流電壓轉(zhuǎn)換電路，并且需要高的輸入電阻，這時(shí)可以考慮用 JFET 輸入或者M(jìn)OSFET輸入的運(yùn)放。因?yàn)?JFET 是電壓控制器件，其輸入偏置電流參數(shù)是指輸入 PN 結(jié)的反向漏電流，數(shù)值應(yīng)在 PA 數(shù)量級(jí)。電壓控制的MOSFET 器件，可以提供更小的輸入漏電流。

一個(gè)常用的電流電壓轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用例子就是光電探測(cè)電路。相信做過(guò)光電檢測(cè)的人對(duì)該電路一定不會(huì)陌生。另一個(gè)常用的電流電壓轉(zhuǎn)換電路就是經(jīng)典的R-2R梯形DAC電路。具體電路設(shè)計(jì)如下：

該電路中，可以通過(guò)bn的數(shù)值進(jìn)行開(kāi)關(guān)Sn的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，

在該電路中，奇數(shù)項(xiàng)電阻阻值為R，偶數(shù)項(xiàng)電阻阻值為2R，此時(shí)

Vo=-(Rf/R)Vi(b1*2-1+ b2*2-2+ …+ bn*2-n)

現(xiàn)在深入的分析運(yùn)放U1的兩個(gè)輸入端電流和，將電源Vi和所有的權(quán)電阻和開(kāi)關(guān)看做一個(gè)黑匣子，利用基爾霍夫電流定律可知，運(yùn)放的N和P極的電流在數(shù)學(xué)表達(dá)上可以表示為

In+Ip=(1-2-n)Vi/R

在數(shù)字電路中可以表示為兩個(gè)狀態(tài)的互補(bǔ)形式。

R-2R梯形DAC電路的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且每位權(quán)電壓變化最小。但是，也有其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)：運(yùn)放的N極和P極電壓必須最大限度的接近，否則容易產(chǎn)生線(xiàn)性誤差，這在一定程度上影響了DAC的精度。為盡量減小這一誤差，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用低漂移量的運(yùn)放和在設(shè)計(jì)使總輸入失調(diào)誤差最小。

電路設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)合，也是一個(gè)由淺入深的經(jīng)驗(yàn)過(guò)程，上面的小文是筆者在電路設(shè)計(jì)中碰到的和解決問(wèn)題得出的一些淺見(jiàn)，如有不當(dāng)和解釋不詳?shù)那闆r，請(qǐng)留言，共同提高。