電流轉(zhuǎn)電壓電路設(shè)計應(yīng)用

　　作為電子工程師，在職業(yè)生涯中會碰到各種各樣的問題，其作用就是利用所學(xué)的知識解決各種問題。當(dāng)進(jìn)行以電流形式輸出的傳感器電路設(shè)計時，通常會通過以下的步驟進(jìn)行設(shè)計：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)計的一個重點。下文將從簡單到復(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，通常使用一個運放和一個反饋電阻進(jìn)行設(shè)計，如下圖所示：

　　當(dāng)設(shè)置輸入電流源為1Hz電流強度為1mA時，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)行了信號的放大。雖然完成了設(shè)計的初衷，當(dāng)深入的分析一下，會有另一番風(fēng)景。

　　在電流轉(zhuǎn)換電壓電路中，一個重要的參數(shù)就是靈敏度，如上圖，經(jīng)過一個運算放大器將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)

　　在實際使用時，有的時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，采用大點的反饋元件即可，但是這也為后續(xù)的設(shè)計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，那么一致性會大打折扣。比如對于上面的電路，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。為了解決類似的問題，在實際的設(shè)計中會采用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，還要考慮另外一個因素：運放的輸入偏置電流。

　　所謂的輸入偏置電流就是保證放大器工作在線性范圍，為放大器提供直流工作點的電流。對于采用三極管作為運放輸入極的運放來說，輸入偏置電流就是基極的電流。如果設(shè)計高靈敏度的電流電壓轉(zhuǎn)換電路，并且需要高的輸入電阻，這時可以考慮用 JFET 輸入或者M(jìn)OSFET輸入的運放。因為 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。電壓控制的MOSFET 器件，可以提供更小的輸入漏電流。

　　一個常用的電流電壓轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用例子就是光電探測電路。相信做過光電檢測的人對該電路一定不會陌生。另一個常用的電流電壓轉(zhuǎn)換電路就是經(jīng)典的R-2R梯形DAC電路。具體電路設(shè)計如下：

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

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

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

　　現(xiàn)在深入的分析運放U1的兩個輸入端電流和，將電源Vi和所有的權(quán)電阻和開關(guān)看做一個黑匣子，利用基爾霍夫電流定律可知，運放的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狀態(tài)的互補形式。

　　R-2R梯形DAC電路的優(yōu)點是設(shè)計簡單，且每位權(quán)電壓變化最小。但是，也有其設(shè)計的難點：運放的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，在實際的設(shè)計中經(jīng)常采用低漂移量的運放和在設(shè)計使總輸入失調(diào)誤差最小。

　　電路設(shè)計本身就是一個技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)合，也是一個由淺入深的經(jīng)驗過程，上面的小文是筆者在電路設(shè)計中碰到的和解決問題得出的一些淺見，如有不當(dāng)和解釋不詳?shù)那闆r，請留言，共同提高。