單運放電壓電流轉(zhuǎn)換電路的工作原理分析

1、 工作原理分析

圖5.39為單運放電壓—電流轉(zhuǎn)換電路圖，首先對電路進行工作原理分析：U1A、R1、R2、R3和R4實現(xiàn)差分放大功能。正常工作時節(jié)點電壓VN=、VP=，根據(jù)運放虛短、虛斷工作原理，VN=VP，所以=，即VIN=V1-V2。相對于采樣電阻RS，電阻R4阻值非常大，所以輸出電流Iout==，輸入電壓與輸出電流成線性關系，通過調(diào)節(jié)采樣電阻RS和輸入電壓VIN實現(xiàn)輸出電流控制。

圖5.39 單運放電壓—電流電路

第1步：對電路進行瞬態(tài)仿真分析，圖5.40和圖5.41分別為瞬態(tài)和參數(shù)仿真設置，圖5.42為輸出電流波形。由仿真結果可得，當輸入電壓為0V時輸出電流約為0A，當輸入電壓為5V時輸出電流約為20mA。

圖5.40 瞬態(tài)仿真設置

圖5.41 輸入電壓參數(shù)仿真設置

圖5.42 輸出電流波形

第2步：直流仿真分析——輸入電壓與輸出電流傳輸特性。圖5.43、圖5.44和圖5.45分別為直流分析仿真設置、仿真波形和數(shù)據(jù)。當輸入電壓為0—5V時，輸出電流最小值為11.945uA，最大值為20.023mA，整體誤差優(yōu)于千分之一。穩(wěn)壓管D1實現(xiàn)等效負載功能，當輸出懸空時電流通過D1回到地，整體電路閉環(huán)恒流工作，避免輸出懸空時電路偏置在極端飽和狀態(tài)。另外根據(jù)輸出電壓大小選擇合適的D1穩(wěn)壓管型號，避免正常工作時穩(wěn)壓管限壓。差分電阻R4的阻值對輸出電流精度將會產(chǎn)生影響，因為輸出電流Iout通過電阻R4進行流通，如果R4相對于RS阻值非常大，并且輸出電壓很低，影響將會非常??；如果此處采用運放跟隨后再與電阻R4連接，輸出電流將不再受電阻R4影響，精度將會大大提高。

圖5.43 直流仿真設置

圖5.44 輸出電流波形

圖5.45 仿真數(shù)據(jù)

2、 附錄——關鍵仿真器件模型