运算放大器:电流电压转换电路

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电流转电压I-V电路(或电压转电流V-I电路)是将输入的电压(电流)信号转换为电流(电压)信号,是电压(电流)控制的电流(电压)源,在工业控制与传感器应用场合使用比较多。

最简单的I-V电路就是利用一个精密电阻(如绕线电阻),如下图所示:

为了抑制高频干扰,也通常会加入低通滤波器,如下图所示:

很明显,如果我们的负载直接与电路输出相连接,那么由于负载本身有一定的输入电阻,与绕线电阻的阻值并联后总阻值会发生变化(即负载效应),因此,该电路不适于负载变化较大的应用场合,但我们可以接一个电压跟随器,如下图所示:

如果输入电流源ii太小,则电阻R的阻值过小则将导致两端的电压过小,继而导致后级电路无法更好地处理,我们当然可以将R值加大,但更多的时候,我们更愿意去更改运放的放大倍数,如下图所示:

我们也可以用反相放大器来组成I-V电路,如下图所示,反相端一方面与输入电流源ii连接,另一方面通过反馈电阻Rf与输出连接形成负反馈电路。

根据运放"虚短"特性,反相端与同相端的电位相同,即地电位(0),因此有:

公式中的电阻Rf就是输入电流的放大倍数(因为是将电流放大为电压,也称为跨阻抗放大器),也称为灵敏度

下图为光电二极管检测应用电路:

光电二极管是一种传感器,光线照射时可产生光电流,利用I-V转换电路即可将光电流转换成电压输出,由于运放的输入阻抗非常大,输出阻抗比较小,因此可以高效地进行I-V转换。

从公式中也可以看出,只要调节反馈电阻Rf的大小,就可以将输入电流转换为输出电压,当然,输入电流越小,则需要的反馈电阻越大,在高灵敏度的场合并不适用,比如输入电流是微安级,则电阻Rf就需要兆欧姆级,这显然不太现实,因为反馈电阻太大,准确度就会受到影响,因此,我们可以将此电路修改一下:

根据下图可得A节点电流,则有:

改进型后的高灵敏度I-V转换电路的灵敏度不再仅仅取决地反馈电阻Rf,也取决于R1、R2,只要合理的配置它们的比值,即可在不增大电阻的情况下改善灵敏度。

我们再来看看电压转电流(V/I)电路。下图为V-I电路,运放反相端一方面通过电阻R1与输入电压源连接,另一方面通过反馈电阻RL与输出相连接:

其实就是个反相放大器,因此,它的表达值如下:

如果我们把RL(不一定是电阻,可以是电感,电容,甚至非线性器件也可以,如二极管)当作负载接入到电路中的话,则流过负载(反馈电阻)RL的电流表达式如下:

相应的,也有同相放大的电压转换为电流电路,如下图所示:

但是这些V-I转换电路的负载都是浮地(即负载的任何一端未与地相连接),并没有实际的应用价值,因为大多数场合,我们都要求负载是接地的,因此如下图所示:

此电路增加了运放OP2组成的电压跟随器,因此uA=uo

这样,只要R5的阻值是一定的,则负载电流与R5的电流就是相等的,即可实现共地V-I转换,但是由于大多数常用的运算放大器输出电流并不大,因此不适于负载电路比较大的场合,我们可以用三极管进行扩流输出,如下图所示:

这样流过负载RL的电流不再由运放直接提供,而是由三极管将运放输出放大后的电流来提供,如果需要更大的电流,也可以使用达林顿管(复合管)或场效应管来代替三极管Q1

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