電壓電流轉換器

時間：2021-11-04 09:42:20 資料我要投稿

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電壓電流轉換器

將一個電壓源信號線性地轉換為電流源

信號，在儀器儀表及自動化系統設計中經常會遇

到。有很多技術資料介紹了各種各樣的電壓電流

轉換器（V/I轉換器），各有特色。

對這種電路的基本要求是：

1）輸出電流與輸入電壓成正比；

2）輸出電流為恒流源。即當負載電阻在規定范

圍內變化時，輸出電流保持不變，；

3）輸出電流對電源變化、環境溫度等的變化不

敏感。

一般地，還要附加一個要求，即輸入電壓

與輸出電流共地。

一種典型的V/I變換器要求將0~5V輸入電基本精度壓線性地轉換為0~20mA電流源輸出，

在0.2%以內；當負載在0~300Ω變化時，輸出電

流變化應在規定精度之內。

筆者認為圖1所示電路是最簡單的一種。一般資料的介紹僅限于：設圖中電阻R1~R4相等，則輸出電流Iout=Vin/R5，即輸出電流正比于輸入電壓，與負載電阻（R6）大小無關。當將此種電路用于批量化的產品時，由于元器件成本控制，電阻值不可避免的誤差及電路其他參數的影響，往往使電路實際精度下降。有的生產廠不得不選用其他較復雜的`電路。筆者介紹這種電路的實用化設計方法，供讀者參考。此種設計已用于批量產品中，有很好的性能價格比。

1 電路原理分析

圖1中，R6是負載電阻，允許在一定范圍內變化。Iout是輸出電流。據電路基本定律，對R1、R2支路，由圖1可列出如下方程

V2*(1/R1+1/R2)=Vin/R1+V4/R2

這里，已令 α=R2/R1。

如果忽略運放失調電壓，運放正常工作時，其二輸入端電壓相等，對R3、R4支路，有 V2?V3*R3V3?

這里， β=R4/R3。

假定，R2＞＞R5，R2＞＞R6，即電阻R2對輸出電流Iout的分流作用可以忽略，對R5、R6支路，

V4?V3*R6V3*??

或 V3?V4*（1??）1 ?V4*（1?）??

這里， γ=R6/R5。

將（2）、（3）式代入（1）式， V4?V3*（1??）V4*(1?1/?)*(1??)?Vin*???Vin*? 1??1??

Vin*? （1?1/?）*（1??）*（1??）?1(4) 解得， V4?

對R6支路，有 Iout=V4/R6。

將（4）代入，進一步推導，可得

Iout?Vin*R21??* R1*R51???（???）*R6/R5 （5）這里，α=R2/R1，β=R4/R3，同時要求R2＞＞R5，R2＞＞R6。

當α=β時，有 Iout?Vin*R2 R1*R5 (6)

這是一種電路簡單同時又有較高精度的電壓（Vin）/電流（Iout）轉換器。其輸出電流Iout與負載大小無關。圖1是α=β=1時的特例。設Vin變化范圍是0～5V，要求輸出電流范圍是0～20mA。則可選R1= R3 =500kΩ，R2=R4=200 kΩ，R5=100Ω。運算放大器可選LM358。

2 誤差分析

簡單地將（6）式用于批量產品是不行的，至少對轉換精度不利。原因是批量生產很難保證條件α=β，即R2/R1=R4/R3成立。如果α≠β，對輸出精度有多大影響？

（5）式是通用表達式，可改寫為

Iout?Vin*R2*k R1*R5 （7）

這里， k?1?? 1???（???）*R6/R5 (8)

當α=β時，有k=1。

一般情況，電壓電流轉換器僅僅是我們產品的一小部分。我們認為，在產品中，輸出電流的零位及滿度值調整是不難的。問題是輸出電流能否真正作到恒流，即當負載R6變化時，能否保證輸出電流偏差仍舊在設定精度之內？負載R6的大小主要由用戶決定，是一個變數。

設β=α*(1+δ)，其中δ是一個正或負的小數。例如，δ=±0.05或δ=±0.01或δ=±0.005等。則（8）式可改寫為

k?1????? 1?????R6/R5R6??）* R51??一般，α≤1，δ＜＜1，故上式可近似簡化為 k?1?（1?

對前述典型應用：

Vin=0～5V，Iout=0～20mA。取α=200 kΩ/500kΩ=0.4，

R5=100Ω，R6在0～300Ω范

圍內取值，則對不同的δ值，可計算出k—R6曲線。如以R6=250Ω時對應的k值為1，則圖2所示為ki=k(R6)/k(250Ω)曲線組。其中，k1,k2,…k6

分別對應δ參數值是0.05, －0.05, 0.01, －0.01, 0.005, －

0.005。

從諸曲線可見，k值最大偏差與δ值很接近。對某級別精度x的電阻，其δ值最大值

約為4x。舉例如下：設R2實際值是標稱值R20的下限，其精度是x，則R2=R20（1-x）；設R1實際值是標稱值R10的上限，其精度是x，則R2=R20（1+x）；類似，設R4=R20(1+x)，R3=R10(1-x)。α=R2/R1=R20(1+x)/R10(1-x) ≈R20/R10*(1+2x) ；類似，β=R4/R3≈R20/R10*(1-2x)。可見，δ=β/α-1=(1-2x)/(1+2x)-1≈1-4x-1=-4x。

按上述分析，R1～R4即使選0.5級精度的電阻，在批量生產電壓電流轉換器時，當輸出負載有大的變化時，輸出電流的變化最差時可能達到4*0.5=2級，即輸出誤差可能達到2%。這對很多用戶而言，都是不允許的。

3 實用化設計

從（5）式可見，只要α=β，即R2/R1=R4/R3，則輸出電流與負載大小無關。最簡單的辦法是用電位器來調節其中一個電阻，使α=β。如圖3。

圖3實現Vin==0～5V到Iout=0～20mA的轉換器。調節W1，使條件R2/R1=R4/（R3+W1）滿足，則輸出Iout將與負載

R6的大小無關。具體調試方

法可根據電路原理制定，不再

贅述。

正如前述，批量生產時

R1、R2、R5參數可能不標準，

由（7）式知，有可能使電壓

電流轉換器的傳輸比稍有偏

離。但此比值不難在其他電路