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各样增幅电路中,电压-电流转换电路设计

本篇将介绍各种增幅电路,包括反转增幅电路、非反转增幅电路、差动电路等,透过对定电流电路、基准电源电路、电流电压转换电路的介绍,使读者了解其特性及应用。

 

本篇将介绍各种增幅电路,包括反转增幅电路、非反转增幅电路、差动电路等,透过对定电流电路、基准电源电路、电流电压转换电路的介绍,使读者了解其特性及应用...

流转换电路 

接着要介绍输出阻抗为无限大的电压-电流转换电路,必需声明的是,本电路并非单极性电流电源而是双极性电流电源。 

基本增幅电路的变化Type 

表1(a)是将表1的TypeⅠ的输入电压,改成交流后的定电流电路,该电路最大缺点是必需从download提升负载。 

表1(b)是反转增幅电路,该反转增幅电路是将输入电压Vin转换成输入电流iin提供给负载使用,输入电压Vin与输入电流iin的关系可用式(1)表示: 

   

本电路同样必需从download提升负载,它与上述电路都属于特殊用途电路。 

差动增幅电路的变化Type 

表2(c)是前几篇曾经介的绍差动幅电路变化Type,基本上本电路是将增幅器与电流检测电阻RS连接,由于差动输出电压与RS的压降VS相等,因此差动幅电路的负载阻抗会变成电流检测阻抗,此时输出电流iout可用式(2)表示: 

 

本电路最大特征是可提供定电流流入给以ground为基准之负载使用。 

使用一个OP增幅器的电压- 

电流转换电路 

表3是利用一个OP增幅器构成的电压-电流转换电路,它的基本结构与表2(b)完全相同,因此输出电流iout与表2(b)一样,都是利用式(2)计算。由于表2的R2=R4,因此表3的R2是用式(3)表示: 

 

换句话说这种型式的电路必需增加电流检测电阻值。表3的输出阻抗(impedance)RO可用式(4)表示: 

 

由式(4)可知只要变更电阻R1~R4,就可以任意设定阻抗(impedance)R0。在表2与表3是将信号输入至反转输入,并且将非反转是当作接地考虑,由于差动增幅电路是最基本的电路,所以即使将信号输入至反转输入,或是将非反转接地再将信号输入至两输入都可动作。 

避免负载阻抗过大 

基本上负载阻抗RL不可以无限增加,例如表3的负载阻抗RL必需满足式(5): 

 

 

VON:OP增幅IC的最大输出电压。 

iOPK:输出电流的峰值。 

而且R3+R4>>RS,R3+R4>>RL。 

定电流电路的输出阻抗(impedance)看似无限大,然而实际上OP增幅IC并无法提供超过最大输出电压的输出,因此使用上必需根据式(5)的要求,避免负载阻抗过大。此外最小输出电流受到OP增幅器的输入偏压电流与offset电压的限制,因此要求低电流输出的场合,必需使用具备高精度FET输入的OP增幅器。 

实际电压-电流转换电路的动作 

◆实验步骤 

利用表4所示的两个电路进行实验,增幅器A(亦即表4(a)所示的电路)为一般反转增幅电路;增幅器B为表3的电压-电流转换电路。为说明定电压增幅电路与定电流增幅电路的动作差异,因此在OP增幅器与负载之间插入逆接的5V Zener Diode,藉此观察动作波形。 

◆确认定电流的动作 

照片1是输出波形,VoutA是增幅器A的输出,VoutB是增幅器B的输出。增幅器A的输出波形当输入电压Vin大于±5Vpeak时,才开始输出超过Vin=±5Vpeak的部分;相较之下增幅器B的输出波形是直到Vin=±4Vpeak,Vout=±4Vpeak才变成正弦波。 

◆cross over歪斜的发生与对策 

表4(b)的电路当电流一旦横切零点时,就会产生cross over歪斜,为调查发生原因,所以使Vin=±1V藉此观察表4(b)的VOBa的波形,其结果如照片2所示,输出电压在0V附近急遽变化,造成这种现象主要原因是受到OP增幅器的through rate限制所致,因为若将10kΩ的电阻Rx插入并联的Zener Diode时,输出电压的变化会大幅减缓,其结果变成照片2(b)所示的正弦波,依此证实上述推论是正确无误。 

◆动态范围(dynamic range)  

表5是将表4(b)的两个Zener Diode短路(short)后,量测直流定电流特性所获得的结果,由表可知当负载阻抗RLB=0Ω时,输出电流的动态范围最大,相反的若负载阻抗变大时,如表5(b)所示输出电流的动态范围会变窄。 

量测仪器的电流 

Loop应用 

根据以上实验结果可知若使用电流输出增幅器,各种寄生阻抗(impedance)即使与输出连接,该寄生阻抗值若不是非常大的场合,电流检测电阻两端的电压,会与增幅电路的输入电压呈一定比例。工业用量测仪器使用的4~20mA电流loop就是利用上述特性,如此一来4mA与20mA的电流就可以分别支持信号为0与full scale的需求,信号为0不是0mA主要理由是量测仪器会检测断线与故障等各种意外情况。此外它是属于电流输出电路,因此可以忽略配线的阻抗,表7是典型的电路,分别是将0~+10V变成4~20mA的转换电路,以及将4~20mA变成0~+10V的转换电路两种,为了始电路具备较大的动态范围,因此电流检测电阻RS一般都低于500Ω。 

直流基准电压电路 

何谓基准电压电路 

以往基准电压电路大多使用Zener Diode,最近则以shunt regulator居多。如果翻阅半导体组件的型录,通常基准电压温度系数数为ppm/℃的高性能IC才会被list up,因此进行高精度的A-D转换或是D-A转换,要求精密的基准电压时就可以轻易从中选用。一般用途的场合则使用shunt regulator IC TL431,或是同等级的产品,因为TL431可藉以band gape reference电路产生基准电压。 

实际IC与使用方法 

表8是与TL431 IC同等级的TA76431S shunt regulator的机能性等价电路与外形;表2是该组件的主要特性摘要。使用时必需注意下列两点: 

◆必需对阴极(cathode)施加1mA以上的电流。 

◆降低噪讯时可用0.003μF以下,5μF以上的并联电容。 

提到pass control似乎大部分的设计者会立刻连想到0.1μF,不过非常遗憾的是,如果使用0.1μF的电容却极易发振。此外虽然TA76431是低价高性能IC,不过在低电压化的时代潮流中,将基准电压减半却是各组件厂商惯用的手法,因此使用表1是TA76432S IC时,插入的并联电容必需大于0.022μF才能安定动作。 

 

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