各樣增幅電路中，電壓－電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本篇將介紹各種增幅電路，包括反轉(zhuǎn)增幅電路、非反轉(zhuǎn)增幅電路、差動(dòng)電路等，透過(guò)對(duì)定電流電路、基準(zhǔn)電源電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路的介紹，使讀者了解其特性及應(yīng)用。

本篇將介紹各種增幅電路，包括反轉(zhuǎn)增幅電路、非反轉(zhuǎn)增幅電路、差動(dòng)電路等，透過(guò)對(duì)定電流電路、基準(zhǔn)電源電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路的介紹，使讀者了解其特性及應(yīng)用...

流轉(zhuǎn)換電路 

接著要介紹輸出阻抗為無(wú)限大的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路，必需聲明的是，本電路并非單極性電流電源而是雙極性電流電源。 

基本增幅電路的變化Type 

表1(a)是將表1的TypeⅠ的輸入電壓，改成交流后的定電流電路，該電路最大缺點(diǎn)是必需從download提升負(fù)載。 

表1(b)是反轉(zhuǎn)增幅電路，該反轉(zhuǎn)增幅電路是將輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換成輸入電流iin提供給負(fù)載使用，輸入電壓Vin與輸入電流iin的關(guān)系可用式(1)表示： 

本電路同樣必需從download提升負(fù)載，它與上述電路都屬于特殊用途電路。 

差動(dòng)增幅電路的變化Type 

表2(c)是前幾篇曾經(jīng)介的紹差動(dòng)幅電路變化Type，基本上本電路是將增幅器與電流檢測(cè)電阻RS連接，由于差動(dòng)輸出電壓與RS的壓降VS相等，因此差動(dòng)幅電路的負(fù)載阻抗會(huì)變成電流檢測(cè)阻抗，此時(shí)輸出電流iout可用式(2)表示： 

本電路最大特征是可提供定電流流入給以ground為基準(zhǔn)之負(fù)載使用。 

使用一個(gè)OP增幅器的電壓－ 

電流轉(zhuǎn)換電路 

表3是利用一個(gè)OP增幅器構(gòu)成的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路，它的基本結(jié)構(gòu)與表2(b)完全相同，因此輸出電流iout與表2(b)一樣，都是利用式(2)計(jì)算。由于表2的R2＝R4，因此表3的R2是用式(3)表示： 

換句話說(shuō)這種型式的電路必需增加電流檢測(cè)電阻值。表3的輸出阻抗(impedance)RO可用式(4)表示： 

由式(4)可知只要變更電阻R1～R4，就可以任意設(shè)定阻抗(impedance)R0。在表2與表3是將信號(hào)輸入至反轉(zhuǎn)輸入，并且將非反轉(zhuǎn)是當(dāng)作接地考慮，由于差動(dòng)增幅電路是最基本的電路，所以即使將信號(hào)輸入至反轉(zhuǎn)輸入，或是將非反轉(zhuǎn)接地再將信號(hào)輸入至兩輸入都可動(dòng)作。 

避免負(fù)載阻抗過(guò)大 

基本上負(fù)載阻抗RL不可以無(wú)限增加，例如表3的負(fù)載阻抗RL必需滿足式(5)： 

VON：OP增幅IC的最大輸出電壓。 

iOPK：輸出電流的峰值。 

而且R3＋R4＞＞RS，R3＋R4＞＞RL。 

定電流電路的輸出阻抗(impedance)看似無(wú)限大，然而實(shí)際上OP增幅IC并無(wú)法提供超過(guò)最大輸出電壓的輸出，因此使用上必需根據(jù)式(5)的要求，避免負(fù)載阻抗過(guò)大。此外最小輸出電流受到OP增幅器的輸入偏壓電流與offset電壓的限制，因此要求低電流輸出的場(chǎng)合，必需使用具備高精度FET輸入的OP增幅器。 

實(shí)際電壓-電流轉(zhuǎn)換電路的動(dòng)作 

◆實(shí)驗(yàn)步驟 

利用表4所示的兩個(gè)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增幅器A(亦即表4(a)所示的電路)為一般反轉(zhuǎn)增幅電路；增幅器B為表3的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路。為說(shuō)明定電壓增幅電路與定電流增幅電路的動(dòng)作差異，因此在OP增幅器與負(fù)載之間插入逆接的5V Zener Diode，藉此觀察動(dòng)作波形。 

◆確認(rèn)定電流的動(dòng)作 

照片1是輸出波形，VoutA是增幅器A的輸出，VoutB是增幅器B的輸出。增幅器A的輸出波形當(dāng)輸入電壓Vin大于±5Vpeak時(shí)，才開(kāi)始輸出超過(guò)Vin＝±5Vpeak的部分；相較之下增幅器B的輸出波形是直到Vin＝±4Vpeak，Vout＝±4Vpeak才變成正弦波。 

◆cross over歪斜的發(fā)生與對(duì)策 

表4(b)的電路當(dāng)電流一旦橫切零點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生cross over歪斜，為調(diào)查發(fā)生原因，所以使Vin＝±1V藉此觀察表4(b)的VOBa的波形，其結(jié)果如照片2所示，輸出電壓在0V附近急遽變化，造成這種現(xiàn)象主要原因是受到OP增幅器的through rate限制所致，因?yàn)槿魧?0kΩ的電阻Rx插入并聯(lián)的Zener Diode時(shí)，輸出電壓的變化會(huì)大幅減緩，其結(jié)果變成照片2(b)所示的正弦波，依此證實(shí)上述推論是正確無(wú)誤。 

◆動(dòng)態(tài)范圍(dynamic range)  

表5是將表4(b)的兩個(gè)Zener Diode短路(short)后，量測(cè)直流定電流特性所獲得的結(jié)果，由表可知當(dāng)負(fù)載阻抗RLB＝0Ω時(shí)，輸出電流的動(dòng)態(tài)范圍最大，相反的若負(fù)載阻抗變大時(shí)，如表5(b)所示輸出電流的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)變窄。 

量測(cè)儀器的電流 

Loop應(yīng)用 

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知若使用電流輸出增幅器，各種寄生阻抗(impedance)即使與輸出連接，該寄生阻抗值若不是非常大的場(chǎng)合，電流檢測(cè)電阻兩端的電壓，會(huì)與增幅電路的輸入電壓呈一定比例。工業(yè)用量測(cè)儀器使用的4～20mA電流loop就是利用上述特性，如此一來(lái)4mA與20mA的電流就可以分別支持信號(hào)為0與full scale的需求，信號(hào)為0不是0mA主要理由是量測(cè)儀器會(huì)檢測(cè)斷線與故障等各種意外情況。此外它是屬于電流輸出電路，因此可以忽略配線的阻抗，表7是典型的電路，分別是將0～+10V變成4～20mA的轉(zhuǎn)換電路，以及將4～20mA變成0～+10V的轉(zhuǎn)換電路兩種，為了始電路具備較大的動(dòng)態(tài)范圍，因此電流檢測(cè)電阻RS一般都低于500Ω。 

直流基準(zhǔn)電壓電路 

何謂基準(zhǔn)電壓電路 

以往基準(zhǔn)電壓電路大多使用Zener Diode，最近則以shunt regulator居多。如果翻閱半導(dǎo)體組件的型錄，通常基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)數(shù)為ppm/℃的高性能IC才會(huì)被list up，因此進(jìn)行高精度的A-D轉(zhuǎn)換或是D-A轉(zhuǎn)換，要求精密的基準(zhǔn)電壓時(shí)就可以輕易從中選用。一般用途的場(chǎng)合則使用shunt regulator IC TL431，或是同等級(jí)的產(chǎn)品，因?yàn)門L431可藉以band gape reference電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。 

實(shí)際IC與使用方法 

表8是與TL431 IC同等級(jí)的TA76431S shunt regulator的機(jī)能性等價(jià)電路與外形；表2是該組件的主要特性摘要。使用時(shí)必需注意下列兩點(diǎn)： 

◆必需對(duì)陰極(cathode)施加1mA以上的電流。 

◆降低噪訊時(shí)可用0.003μF以下，5μF以上的并聯(lián)電容。 

提到pass control似乎大部分的設(shè)計(jì)者會(huì)立刻連想到0.1μF，不過(guò)非常遺憾的是，如果使用0.1μF的電容卻極易發(fā)振。此外雖然TA76431是低價(jià)高性能IC，不過(guò)在低電壓化的時(shí)代潮流中，將基準(zhǔn)電壓減半?yún)s是各組件廠商慣用的手法，因此使用表1是TA76432S IC時(shí)，插入的并聯(lián)電容必需大于0.022μF才能安定動(dòng)作。