電壓轉(zhuǎn)電流電路的工作原理與設(shè)計(jì)示例

電壓轉(zhuǎn)電流的電路常見(jiàn)于工業(yè)場(chǎng)合，接下來(lái)介紹其工作原理與設(shè)計(jì)示例。

1.高邊V/I電路原理

這種高壓側(cè)電壓電流轉(zhuǎn)換電路可以為接地負(fù)載提供良好可調(diào)電流。 此電路結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，一級(jí)為OPA+NMOS，將VIN轉(zhuǎn)化為電源參考信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)第二級(jí)OPA，第二級(jí)OPA控制PMOS的柵極調(diào)節(jié)負(fù)載電流。

電路的V-I傳遞函數(shù)基于輸入電壓VIN和三個(gè)感應(yīng)電流的電阻RS1、RS2和RS3之間的關(guān)系。

VIN和RS1之間的關(guān)系將決定流過(guò)設(shè)計(jì)第一階段的電流:

VRS1=VIN

從第一級(jí)到第二級(jí)的電流增益基于RS2和RS3之間的關(guān)系:

IRS2≈IRS1， VRS3≈VRS2， ILOAD≈IRS3

最終負(fù)載電流公式：

2.設(shè)計(jì)案例：

設(shè)計(jì)指標(biāo)：5V供電，VIN=0~2V; Vout=4.5V/0~100mA，效率98%

?電源電壓：5 Vdc

? 輸入： 0 ~2 Vdc

? 輸出： 4.5V/（0 ~100 ）毫直流

? 效率：98%

? 增益誤差：0.1%

a.設(shè)計(jì)RS1 :

一級(jí)電路對(duì)負(fù)載不提供功率，因此一級(jí)電路電流產(chǎn)生功耗直接影響系統(tǒng)效率。 為了達(dá)到98.5%的效率目標(biāo)，同時(shí)為運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流留出空間，第一級(jí)的功耗將限制在滿量程時(shí)輸出電流的1%。 因此，當(dāng)輸出為100mA滿量值時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)將第一級(jí)IRS1中的電流設(shè)置為1mA。

VRS1=VIN=2V

RS1=VIN/IRS1=2V/1mA=2kΩ

IRS2≈IRS1=1mA

b.設(shè)計(jì)RS2/RS3：

電路的第二級(jí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出電流源。 由于A2的IN+≈IN-，因此VRS3≈VRS2，考慮5V供電，需要Vout=4.5V，因此滿量程時(shí)需要使VRS3小于500mV，假設(shè)Q2壓降0.3V，則VRS3=470mV

RS2=VRS3/IRS2=470mV/1mA=470Ω

RS3=VRS3/ILOAD=470mA/100mA=4.7Ω

c.運(yùn)放補(bǔ)償設(shè)計(jì)：R2/R3/C6/R4/R5/C7

第一和第二階段都需要補(bǔ)償組件，以確保適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)穩(wěn)定性。 運(yùn)放輸出驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載(MOS寄生Cgs)容易產(chǎn)生輸出震蕩，本補(bǔ)償之后的電路結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的運(yùn)放雙反饋回路，具體可以參考如下雙反饋的設(shè)計(jì)。

d.器件選擇:

1.運(yùn)放：運(yùn)放推薦選擇Low offset voltage, low temperature drift的運(yùn)放。

2.MOSFET: 需要確保OPA可以適當(dāng)控制柵極，推薦低閾值電壓VGS(th)，另外VGS,GSDS,ID不超額定值。

3.電阻(精度)：直接影響輸出電流精度的是作為傳遞函數(shù)的三個(gè)電阻RS1,RS2,RS3。 為了滿足0.1% FSR的增益誤差設(shè)計(jì)目標(biāo)，這些電阻的容差選擇為0.1%。 第一級(jí)的電流在第二級(jí)中乘以RS2與RS3的比值。 因此，第一階段的準(zhǔn)確性是非常關(guān)鍵的，因?yàn)榈诙A段的誤差會(huì)成倍增加并傳遞到輸出中。 因此，更高精度的設(shè)計(jì)可能需要更低的RS1電阻公差。 (本設(shè)計(jì)中的其他無(wú)源元件可以選擇1%或更大，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)直接影響本設(shè)計(jì)的傳遞函數(shù)。 )